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EP4041479A1 - Laser device for generating laser radiation and 3d printing device comprising a laser device of this type - Google Patents

Laser device for generating laser radiation and 3d printing device comprising a laser device of this type

Info

Publication number
EP4041479A1
EP4041479A1 EP20790224.8A EP20790224A EP4041479A1 EP 4041479 A1 EP4041479 A1 EP 4041479A1 EP 20790224 A EP20790224 A EP 20790224A EP 4041479 A1 EP4041479 A1 EP 4041479A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
laser device
plane
radiation
intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20790224.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Aliaksei KRASNABERSKI
Stephan Schneider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Limo GmbH
Original Assignee
Limo GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102019126888.5A external-priority patent/DE102019126888A1/en
Application filed by Limo GmbH filed Critical Limo GmbH
Publication of EP4041479A1 publication Critical patent/EP4041479A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/262Optical details of coupling light into, or out of, or between fibre ends, e.g. special fibre end shapes or associated optical elements
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    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/32Optical coupling means having lens focusing means positioned between opposed fibre ends

Definitions

  • Laser device for generating laser radiation as well as 3D printing device with such a laser device
  • the present invention relates to a laser device for generating laser radiation, which has an intensity distribution with a plurality of intensity maxima in a working plane, as well as a 3D printing device with such a laser device.
  • a laser beam, light beam, partial beam or beam does not mean an idealized beam of geometrical optics, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile that is not infinitesimal has a small, but an extended beam cross-section.
  • the M-profile denotes an intensity profile of laser radiation, the cross-section of which has a lower intensity in the middle than in one or more extra-central areas.
  • Intensity distribution meant, which at least one direction can essentially be described by a rectangular function (rect (x)).
  • Real intensity distributions that deviate from a rectangular function in the percentage range or have sloping edges are also to be referred to as top hat distribution or top hat profile.
  • a laser device of the type mentioned at the beginning and a 3D printing device of the type mentioned at the beginning are known, for example, from WO 2015/134075 A2.
  • a 3D printing device uses a plurality of semiconductor lasers, the light of which is coupled into a plurality of optical fibers.
  • the laser radiation emerging from the optical fibers is used for the targeted application of a starting material for 3D printing, which is arranged in a work area of the 3D printing device.
  • a disadvantage of laser devices known from the prior art and 3D printing devices with optical fibers from which the laser radiation required for 3D printing emerges is that, as a rule, only a small working distance can be achieved. This can damage or contaminate the optics used. Furthermore, there are gaps between the individual pixels used for 3D printing because the gaps between the cores of the optical fibers are comparatively large and the sheaths of adjacent optical fibers are arranged between the cores. Furthermore, the pixel size is often too large, so that a good resolution cannot be achieved.
  • the problem on which the present invention is based is to create a laser device of the type mentioned above and a 3D printing device of the type mentioned above, which allow a smaller pixel size in the working plane and / or a larger working distance.
  • the laser device comprises a laser light source which, when the laser device is in operation, emits laser radiation that forms a linear or planar intensity distribution with a plurality of intensity maxima in a first plane, the intensity maxima in at least one transverse direction , which is perpendicular to the central direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a first distance from one another, the laser device further comprising a projection device which maps the first plane into the working plane in such a way that a linear or planar intensity distribution with a plurality of intensity maxima is formed.
  • the intensity maxima of the intensity distribution in the first plane in at least one transverse direction which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, can at least partially have a first distance from one another, the projection device being able to map the first plane into the working plane so reduced that the intensity maxima the intensity distribution in the working plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a second distance from one another which is smaller than the first distance.
  • the intensity maxima in the working plane can all have the second distance from one another in the at least one transverse direction.
  • the reduction achieved by the projection device can be between 1 and 20.
  • the size of the intensity maxima or the pixel size in the working plane can be significantly reduced. Also the distances between the individual Intensity maxima can thereby be reduced. In particular, the gaps between the intensity maxima can be filled accordingly.
  • the pixel size can be significantly smaller than 100 ⁇ m or even smaller than the diameter of the cores of the optical fibers.
  • the working distance between the projection device and the working plane is greater than 50 mm, in particular greater than 100 mm, preferably equal to or greater than 200 mm.
  • a reducing projection device increases the working distance accordingly, so that, for example, distances of more than 200 mm can be achieved. In this way, damage to or contamination of the optics used can be avoided. Furthermore, there is an increased depth of field in the working plane.
  • the intensity maxima of the intensity distribution in the first plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation are at least partially at a first distance from one another, the projection device being able to map the first plane into the working plane in this way, that the intensity maxima of the intensity distribution in the working plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a second distance from one another, which is greater than the first distance or which is equal to the first distance.
  • the projection device can achieve a magnification between 1 and 5 or a magnification of 1, for example.
  • the projection device is a telecentric projection device, in particular a projection device that is telecentric on both sides.
  • a telecentric Projection device Through a telecentric Projection device, uniform angular distributions of the laser radiation can be achieved in the working plane. In 3D printing, the even angular distributions lead to even temperature distributions of the raw material to be heated. Compared to a non-telecentric projection device, a telecentric projection device has a greater depth of field and less distortion.
  • At least one component of the projection device is cylindrical in shape.
  • at least one component of the projection device can be cylindrical or spherical or aspherical in shape.
  • at least one component of the projection device is a microlens array.
  • the at least one microlens array is a refractive, reflective or holographic optical element or an optical element with a continuous surface or a binary or multi-stage diffractive optical element.
  • the laser light source comprises at least one fiber laser.
  • other laser light sources such as laser diode bars or the like can also be provided.
  • the laser light source comprises a plurality of optical fibers, from the ends of which a partial radiation of the laser radiation emerges, the optical fibers being in particular single-mode fibers or large-mode area fibers or few-mode fibers.
  • the diffraction index M 2 of such light sources can especially for use with a converter, smaller than 2, preferably smaller than 1.5.
  • the laser light source can have a holder with a plurality of grooves, in particular V-shaped grooves, each of the optical fibers being arranged in one of the grooves.
  • the optical fibers can be precisely positioned with respect to one another.
  • a very constant overlap of the individual intensity maxima of, for example, only 1 pm can be realized in the working plane.
  • the part of the holder that has the V-grooves can be formed in one piece.
  • a one-dimensional or two-dimensional array of optical fibers is formed in that the optical fibers or their ends are connected directly, for example by gluing and / or splicing, to an optical component or to a window, in particular wherein the Connection of the optical fibers with the optical component or the window a, preferably one-piece, optical component is created.
  • the optical component can be the first optical component arranged behind the laser light source in the direction of propagation of the laser radiation.
  • the window can be part of a fiber holder or fiber carrier, for example.
  • the intensity maxima generated in the first plane are each formed by the partial radiation exiting from one of the optical fibers.
  • Suitable optics can be provided in order to focus the partial radiation in the first plane.
  • the partial radiations in the individual optical fibers have a mode profile which corresponds to a Bessel profile or a Gaussian profile or an M profile or a top hat profile.
  • the intensity maxima in the working plane can each have a Gaussian or a super Gaussian or a top hat profile or an M profile or a process-optimized profile.
  • any profile can be generated in the working plane that can deviate from the named profiles.
  • the profile of the intensity distributions can preferably be changed as a function of the materials to be processed.
  • the laser device comprises at least one converter which can change the intensity profile of the laser radiation or one or more of the partial radiations, wherein the converter can, for example, convert a Gaussian profile into a top-hat profile.
  • the at least one converter is designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter, in particular as an axially symmetrical binary phase plate, or that the at least one converter is designed as a 1 D Gaussian to Sinc -Function converter is designed, in particular as two cylindrical binary phase plates, which are aligned perpendicular to each other.
  • a plurality of converters can be provided, which are arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array.
  • Such an array of converters could be arranged between the laser light source and the projection device. It can be provided that the at least one converter is integrated into the projection device. In this case, a single converter could be used instead of an array of converters.
  • Working plane each have a circular or a square or a hexagonal outline.
  • square outlines are advantageous because gaps can be avoided between them.
  • the laser device comprises at least one collimation element, in particular a plurality of collimation elements, for collimation of the laser radiation emerging from the laser light source.
  • the plurality of collimation elements can be arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array, which is in particular a lens array.
  • the collimation elements can reduce the divergence of the laser radiation. If the collimation elements are designed as crossed cylindrical lenses, spaces between individual partial beams can be reduced.
  • the plurality of intensity maxima in the working plane can be switched on or off individually or in groups, in particular by appropriate control of the laser light source. This results in individually addressable pixels in the working plane for 3D printing.
  • the individual pixels or intensity maxima in the working plane can have up to several 100 W of power per pixel.
  • linear or planar intensity distributions can be generated in the working plane.
  • the laser device comprises means for superimposing individual partial radiations emanating from the laser light source into individual pixels in the first plane and / or that the laser device comprises means for dividing individual or all partial radiations emanating from the laser light source into several pixels in the first level .
  • the superposition can take place, for example, in a geometrical or optical manner. Alternatively, a superposition can also be achieved via polarization couplers or wavelength couplers.
  • the superposition of several partial beams to form a pixel can be advantageous, for example, to enable power scaling or to reduce the loads on critical optical elements or to have one or more reserve channels if individual channels fail.
  • the division of partial radiation into a plurality of pixels can be advantageous, for example, in the case of parallel processing.
  • the laser device comprises at least one Fourier lens and / or at least one array of Fourier lenses, which are arranged in particular between the laser light source and the first plane.
  • the at least one Fourier lens and / or the at least one array of Fourier lenses can serve, for example, as a means for superimposing individual partial radiations emanating from the laser light source into individual pixels in the first plane. It can be provided that several subsystems of the laser device, which for example generate several laser lines consisting of pixels, can be operated in parallel.
  • the laser device is a laser device according to the invention.
  • Laser device represents an industrially very attractive solution with which, in particular, 3D printing can be carried out with metallic starting materials.
  • the working plane of the laser device can correspond to the working area of the 3D printing device.
  • the scanning device can be designed such that the laser radiation is moved relative to the work area or the work area is moved relative to the laser radiation.
  • the laser radiation generated by the laser device can be deflected by the scanning device as a whole, the scanning device being designed, for example, as a galvano scanner. This is possible in particular because of the good beam quality that can be generated with the laser device according to the invention, the large working distance and the large depth of field in the working plane.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of a laser device according to the invention
  • FIG. 2a shows a first intensity distribution of a laser radiation generated with a laser device according to the invention in a working plane
  • 2b shows a second intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • 3a shows a third intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • 3b shows a fourth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • FIG. 4 shows a fifth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • 5 shows a schematic side view of a second embodiment of a laser device according to the invention
  • 6 shows a schematic side view of a third embodiment of a laser device according to the invention
  • FIG. 7a shows a sixth intensity distribution of a laser radiation generated with a laser device according to the invention in a working plane
  • FIG. 7b shows a diagram which illustrates the sixth intensity distribution according to FIG. 7a;
  • 7c shows a seventh intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • FIG. 7d shows a diagram which illustrates the seventh intensity distribution according to FIG. 7c
  • FIG. 8 shows a schematic side view of a fourth embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic side view of a fifth embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 10 shows a schematic side view of a sixth embodiment of a laser device according to the invention.
  • 1 1 shows a schematic side view of a seventh embodiment of a laser device according to the invention
  • 12 shows a schematic side view of an eighth embodiment of a laser device according to the invention
  • FIG. 13 shows a schematic side view of a ninth embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 14 shows a schematic side view of a tenth embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 15 shows a schematic side view of an eleventh embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 16 shows an eighth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention
  • FIG. 17 shows a schematic side view of a twelfth embodiment of a laser device according to the invention.
  • FIG. 18 shows a schematic side view of a detail of a first embodiment of a 3D printing device according to the invention
  • 19 shows a schematic side view of a detail of a second embodiment of a 3D printing device according to the invention
  • 20 shows a schematic side view of a detail of a third embodiment of a 3D printing device according to the invention
  • 21 a shows a schematic side view of a first embodiment of a projection device of a laser device according to the invention, with some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
  • FIG. 21 b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 21 a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
  • 21c shows a schematic side view, rotated by 90 °, of the projection device according to FIG. 21a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
  • 22a is a schematic side view of a second
  • Embodiment of a projection device of a laser device according to the invention some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
  • FIG. 22b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 22a, in which the
  • 22c shows a schematic side view, rotated by 90 °, of the projection device according to FIG. 22a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
  • 23a is a schematic side view of a third one
  • Embodiment of a projection device of a laser device according to the invention some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
  • 23b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 23a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
  • 23c is a schematic side view of FIG
  • FIG. 24 shows a schematic side view of a detail of a thirteenth embodiment of a laser device according to the invention.
  • the first embodiment of a laser device according to the invention depicted in FIG. 1 comprises a laser light source 1 for generating one that is only indicated schematically in FIG. 1 Laser radiation 2.
  • the laser light source 1 is designed in particular as an array of lasers, preferably as an array of fiber lasers with a plurality of optical fibers 3, from each of which a partial radiation of the laser radiation 2 emerges.
  • the continuous wave output power of the laser light source 1 can be between 1 W and 1000 W, for example.
  • the wavelength of the laser radiation 2 emitted by the laser light source 1 can be, for example, 1080 nm.
  • a plurality of other lasers such as a laser diode bar with a plurality of emitters are provided, the light of which is each coupled into an optical fiber.
  • the optical fibers 3 are arranged next to one another in a direction which corresponds to the vertical direction in FIG. 1. This results in a one-dimensional array of optical fibers 3, from the ends of which one of the partial radiation emerges.
  • the distance between the centers of the optical fibers can be between 20 ⁇ m and several millimeters.
  • the optical fibers 3 are not arranged next to one another in one direction but rather are arranged next to one another in two directions, in particular perpendicular to one another.
  • the laser light source 1 comprises, in particular, a holder (not shown) with a plurality of V-shaped grooves which are arranged equidistant from one another. Each of the optical fibers 3 is arranged in one of the grooves.
  • the holder can in particular consist of silicone or glass.
  • the optical fibers 3 can be positioned precisely with respect to one another by means of this holder in V-grooves.
  • the part of the holder that has the V-grooves can be formed in one piece.
  • the optical component can be the first in the direction of propagation
  • the optical fibers can also be connected to a window that is part of a fiber holder or fiber carrier, for example.
  • a preferably one-piece optical component can be created.
  • the diameter of the core 4 of the optical fibers 3 indicated in FIG. 1 can be between a few ⁇ m and 100 ⁇ m or more.
  • the mode profile of the laser radiation in each of the optical fibers 3 can be a Bessel profile or a Gaussian profile or a quasi-Gaussian profile or an M profile.
  • the laser radiation 2 emerging from the fiber ends forms in a first plane 5 an intensity distribution 6, indicated schematically in FIG. 1, which has a plurality of intensity maxima 7 spaced apart from one another.
  • the intensity maxima 7 can each have a Gaussian profile, for example.
  • Each of these intensity maxima 7 is formed by one of the partial radiations which emerge from one of the ends of the optical fibers 3.
  • the half width (FWHM) of the individual intensity maxima 7 can be between 10 pm and more than 1 mm.
  • the first distance di of these intensity maxima 7 from one another is indicated in FIG. 1.
  • the laser device further comprises a projection device 8, which is indicated in FIG. 1 only by a rectangle.
  • the projection device 8 is in particular a telecentric, preferably a double-sided telecentric projection device.
  • the numerical aperture of the projection device 8 can be between 0.001 and 0.1 or more.
  • the projection device 8 can comprise at least one refractive component and / or at least one diffractive component and / or at least one reflective component. There is the possibility that at least one component of the projection device is cylindrical or spherical or aspherical in shape. It can be provided that at least one component of the projection device 8 is a microlens array.
  • the at least one microlens array can be a refractive, reflective or holographic optical element or an optical element with a continuous surface or a binary or multi-stage diffractive optical element.
  • the projection device 8 can comprise at least one component which is used to correct chromatic aberration.
  • the projection device 8 can have a zoom function in order to adapt the size of pixels in the working plane or line sizes.
  • the projection device 8 can at least one of the folding of the
  • the projection device 8 can comprise at least one component with a cooling function.
  • the first embodiment of a projection device 8 depicted in FIG. 1 maps the first plane 5 into the working plane 11.
  • the projection device 8 performs a scaled-down
  • the intensity distribution 6 ‘of the laser radiation 2 in the working plane 1 1 is thereby compressed compared to the intensity distribution 6 in the first plane 5.
  • the second distance d2 of the intensity maxima 7 ‘from one another in the working plane 11 is smaller than the first distance di of the intensity maxima 7 in the first plane 5.
  • the reduction in size of the projection device 8 can be between 1 and 20, for example.
  • the projection device 8 further increases the working distance of the working plane 11 from the laser device.
  • the size of the intensity maxima 7 'in the working plane 11 can also be influenced by selecting a working plane that is spaced apart from the working plane 11 and into which a plane adjacent to the first plane is mapped.
  • Fig. 1 are examples of this two planes 5 ', 5 "adjacent to the first plane 5 and two planes 1 1", 1 1' adjacent to the working plane 1 1 are shown.
  • the intensity maxima 7 'of the laser radiation generated in the working plane 11 can be viewed as pixels of a laser radiation that is used for a 3D printing device for generating a spatially extended product.
  • the working plane 11 can be arranged in a working area of a 3D printing device, with the starting material for 3D printing to be applied to the laser radiation being able to be supplied to the working area.
  • Levels 1 1 to 1 1 ", the second distance d2 for the levels 1 1 to 1 1” is more or less the same, whereas the size of the individual partial beams in the levels 1 1 to 1 1 "due to the residual divergence as for the Levels 5 to 5 "are slightly different from each other.
  • an optimal pixel size is determined not only by the optical pixel size and / or the intensity profile, but also by the physical properties of the materials to be processed, such as the thermal conductivity and the density of the material to be processed.
  • the size of the partial radiation or the pixels can be adapted by simply changing from one level 1 1 to another level 1 1 ', 1 1 ". This can be, for example, a change from a level 1 1, 1 1', 1 1 " with the best homogeneity of the line intensity to another level 1 1,
  • the individual intensity maxima 7 ‘or pixels of the laser radiation 2 used for 3D printing can be switched on and off in a targeted manner. This switching on or off of the pixels can in particular be achieved by appropriate control of the laser light source 1. For example, some of the
  • Fiber lasers can be switched on or off.
  • the cross section of the intensity maxima 7 ‘or of the pixels is circular in the embodiment according to FIG. 1.
  • the cross section is indicated in FIG. 1 by the circles 12 arranged next to one another.
  • FIG. 2a shows a linear intensity distribution 6 6 of the laser radiation 2 in the working plane 1 1 in a state in which all pixels or intensity maxima 7 ‘are present.
  • Fig. 2b shows the intensity distribution 6 ‘in a state in which every second pixel is switched off.
  • FIGS. 3a and 3b show a similar comparison for a laser device which generates a planar intensity distribution 6 ′ in the working plane 11.
  • 3a shows the intensity distribution 6 'of the laser radiation 2 in the working plane 11 in a state in which all pixels or intensity maxima 7' are present are.
  • FIG. 3b shows the intensity distribution 6 'in a state in which every second pixel is switched off.
  • Fig. 4 shows a planar intensity distribution 6 ‘in the working plane 1 1, in which the pixels or intensity maxima 7 Sind are hexagonally densely packed.
  • the embodiment shown in FIG. 5 essentially corresponds to that in FIG. 1.
  • the embodiment according to FIG. 5 comprises a schematically indicated additional array 13 of optical elements 14 between the laser light source 1 and the projection device 8.
  • the optical elements 14 can be collimation lenses in order to collimate the laser radiation 2 emerging from the laser light source 1.
  • the optical elements 14 can also be imaging elements or telescopic elements in order to enlarge the depth of field of a focal plane generated in the first plane 5.
  • the optical elements 14 can, for example, map the fiber ends into the first plane 5.
  • the optical elements 14 can be cylindrical or spherical in shape.
  • optical elements 14 of the two arrays 13 can, for example, be cylindrical lenses that are crossed with respect to one another.
  • FIG. 6 essentially corresponds to that in FIG.
  • Embodiment according to FIG. 6 an additional array 15 of converters 16 and an additional array 17 of Fourier lenses 18.
  • the converters 16, together with the Fourier lenses 18, can Change the intensity profile of the laser radiation 2 or one or more of the partial radiations, each of the converters 16 being able to convert, for example, a Gaussian profile into a top-hat profile.
  • each of the converters 16 can convert a Gaussian profile into an M profile, for example.
  • a converter can be provided which is designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter.
  • An Airy disc function corresponds to ⁇ Ji (r) / r, where Ji is a Bessel function of the first type.
  • Such Airy disc functions are described, for example, in US Pat. No. 9,285,593 B1.
  • Functions converter is an axially symmetric binary phase plate. Such a phase plate is described in US Pat. No. 5,300,756.
  • a converter can also be provided which is designed as a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter.
  • a sinc function corresponds to 5 ⁇ h (pc) / pc.
  • An example of a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter are two cylindrical binary phase plates which are aligned perpendicular to one another.
  • Such a converter for example a 2D converter or two 1 D plates aligned perpendicularly to one another, is used together with a Fourier lens as a Gaussian-to-Tophat converter or a Gaussian-to-M-shape converter.
  • FIGS. 7a and 7b show a linear intensity distribution 6 of the laser radiation 2 in the working plane 11 in a state in which all pixels or intensity maxima 7 ‘are present.
  • FIGS. 7c and 7d show the intensity distribution 6 ‘in a state in which every second pixel is switched off. This makes it clear that the intensity maxima 7 ‘in FIG. 7d have a top-hat profile.
  • FIG. 8 essentially corresponds to that in FIG. 6.
  • the embodiment according to FIG. 8 comprises only one array 13 of optical elements 14, which can be designed as collimation lenses, for example, and an additional array 15 of converters 16, the Fourier lenses being integrated into this array 15.
  • FIG. 9 essentially corresponds to that in FIG. 8.
  • the embodiment according to FIG. 9 comprises only one array 13 of optical elements 14, which can be designed as collimation lenses, for example, the converter and the Fourier lenses in this array 15 are integrated.
  • FIG. 10 corresponds essentially to that in FIG. 6.
  • the cross section is
  • Intensity maxima 7 'or the pixels are square.
  • the cross section is indicated in FIG. 10 by the squares 19 arranged next to one another.
  • a square cross section of the Intensity maxima 7 ' can be achieved, for example, by using crossed cylinder lenses instead of spherical or aspherical circular lenses. This can be the lenses of the arrays 13, 17.
  • the embodiment shown in Fig. 1 1 corresponds to
  • the cross section of the intensity maxima 7 or of the pixels is square.
  • the cross section is indicated in FIG. 11 by the squares 19 arranged next to one another.
  • FIG. 12 essentially corresponds to that in FIG. 9.
  • the cross section of the intensity maxima 7 ‘or of the pixels is square.
  • the cross section is indicated in FIG. 12 by the squares 19 arranged next to one another.
  • a converter 20 which can change the intensity profile 6 of all partial radiations of the laser radiation 2.
  • the converter 20 can, for example, convert a Gaussian profile into a top hat profile or a Gaussian profile into an M profile.
  • the intensity maxima 7 in the first plane 5 have a Gaussian profile and the intensity maxima 7 ′ in the working plane 11 have a top-hat profile.
  • the converter 20 can be designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter.
  • An example of a 2D Gaussian to Airy disc functions converter is an axially symmetric binary phase plate.
  • the converter 20 can also be designed as a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter.
  • Converters are two cylindrical binary phase plates that are aligned perpendicular to each other.
  • the second half of the projection lens 8, which is arranged behind the converter 20 can serve as a Fourier lens.
  • a different Fourier lens can alternatively be provided.
  • the converter 20 is arranged in the projection device 8 at a location at which aperture diaphragms are usually provided.
  • the embodiment shown in FIG. 14 essentially corresponds to that in FIG. 13.
  • the embodiment according to FIG. 14 comprises a schematically indicated additional array 13 of optical elements 14 between the laser light source 1 and the projection device 8.
  • the optical elements 14 can Be collimation lenses in order to collimate the laser radiation 2 emerging from the laser light source 1.
  • the optical elements 14 can also be imaging elements or telescopic elements in order to enlarge the depth of field of a focal plane generated in the first plane 5.
  • the optical elements 14 can, for example, map the fiber ends into the first plane 5.
  • the optical elements 14 can be cylindrical or spherical in shape.
  • FIG. 15 essentially corresponds to that in FIG. 13.
  • the cross section of the intensity maxima 7 ′ or of the pixels is square.
  • the cross section is indicated in FIG. 15 by the squares 19 arranged next to one another.
  • FIG. 16 shows a planar or rectangular intensity distribution 6 ‘of the laser radiation 2 in the working plane 11 that can be generated by the laser device according to FIG. 15.
  • it can have 5 by 150 pixels with a top hat profile and a
  • Diameters of more than 100 ⁇ m can be provided. In the state shown in FIG. 16, every second pixel or intensity maximum 7 is switched off.
  • FIG. 17 essentially corresponds to that in FIG. 14.
  • the cross section of the intensity maxima 7 ′ or of the pixels is square.
  • the cross section is indicated in FIG. 17 by the squares 19 arranged next to one another.
  • a scanning device 21 indicated only schematically, is provided in addition to a laser device, with which the laser radiation 2 can be moved in the working plane 11.
  • the scanning device 21 can be designed, for example, as a polygon scanner or as a galvanometer scanner.
  • the scanning device 21 is arranged between the projection device 8 and the working plane 11.
  • the working plane 11 of the laser device can correspond to a working area of the 3D printing device to which the starting material for the 3D printing to be acted upon with the laser radiation 2 can be supplied.
  • FIG. 17 can be integrated into the 3D printing device according to FIG. 18.
  • the embodiment shown in FIG. 19 corresponds to FIG.
  • the scanning device 21 is arranged in the projection device 8, in particular between a first part 9 and a second part 10 of the projection device 8.
  • the common converter 20 is between the
  • the two parts 9, 10 can form a Fourier transforming device.
  • the first part 9 can, for example, have a zoom function to have.
  • the second part 10 can serve, for example, as an F-theta lens or as a flat field lens.
  • FIG. 20 corresponds essentially to that in FIG. 19. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 20
  • Projection device 8 arranged, wherein the scanning device 21 can nevertheless be arranged in particular between two schematically indicated parts 9, 10 and in front of the common converter 20.
  • the two parts 9, 10 can form a Fourier transforming device.
  • the first part 9 can have a zoom function, for example.
  • the second part 10 can serve, for example, as an F-theta objective or as a flat field lens.
  • the laser radiation 2 generated by the laser device can be deflected by the scanning device 21 as a whole.
  • FIGS. 21 a to 21 c a preferred embodiment of a projection device 8 is shown, which brings about a reduction by a factor of 5 when imaging from the first plane 5 into the working plane 11.
  • the projection device 8 three groups 22, 23, 24 of at least one lens each are provided.
  • the first group 22 has a positive refractive power
  • the second group 23 has a negative refractive power
  • the third group 24 in turn has a positive refractive power.
  • 21b and 21c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transversely to the direction of propagation z.
  • FIGS. 22a to 22c a likewise preferred embodiment of a projection device 8 is shown, which effects a 1: 1 mapping from the first plane 5 into the working plane 11.
  • the projection device 8 there are again three groups 22, 23, 24 each provided by at least one lens.
  • the first group 22 has a positive refractive power
  • the second group 23 has a negative refractive power
  • the third group 24 in turn has a positive refractive power.
  • FIGS. 22b and 22c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transverse to the direction of propagation z.
  • the projection device 8 depicted in FIGS. 23a to 23c corresponds to that according to FIGS. 22a to 22c except for an additional converter 20 which is arranged in the projection device 8 at a location where aperture diaphragms are usually provided.
  • the converter 20 consists of two Gaussian-to-top hat converters which are arranged one behind the other and are arranged crossed with respect to one another.
  • FIGS. 23a to 23c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transverse to the direction of propagation z.
  • the embodiment shown in FIGS. 23a to 23c can on the one hand be viewed as a projection device or imaging device with an additional converter. Alternatively, the embodiment can also be understood in this way that between a first Fourier-transforming part 25 and a second Fourier-transforming part 26 of the converter 20 is arranged.
  • the projection device 8 was shown in the same way in FIGS. 1, 5, 6 and 8 to 12 or in FIGS. 13 to 18 and 20. Nevertheless, the projection device 8 shown in individual of the figures can have components or a structure or properties that differ from those of other individual or all other projection devices 8 in the other figures. Furthermore, due to a different environment of the projection device 8, such as the addition of an array 13 (see FIGS. 1 and 5 or FIGS. 13 and 14), the imaging properties of the projection device 8, such as the distance from the first level 5 to working level 1 1, even if the distance is shown in simplified form in each case the same in the figures.
  • mapping the first plane 5 into the working plane 11 the order of the intensity maxima 7, 7 ‘or the pixels arranged next to one another can be maintained or changed.
  • three pixels a - b - c arranged next to one another in the first level 5 in the working plane 11 could also be in the order a '- b' - c 'or, for example, in the order c' - b '- a' or for example be arranged in the order b '- a' - c '.
  • a two-dimensional array not shown, of for example 9 by 150 optical fibers is provided, of which the laser radiation 2 shown in FIG. 24 goes out.
  • the embodiment comprises two arrays 13 of optical elements 14, which are designed as cylindrical lenses and are used for collimation.
  • the cylinder axes of the cylinder lenses on the two arrays 13 are aligned perpendicular to one another or designed as crossed cylinder lenses.
  • the embodiment according to FIG. 24 furthermore comprises two mutually crossed arrays 15 of converters 16. Furthermore, the embodiment comprises a Fourier lens 27 and an adjoining array 17 of Fourier lenses 18.
  • the converters 16, together with the Fourier lenses 18, can define the intensity profile of the laser radiation 2 or change one or more of the partial radiations, each of the converters 16 being able to convert, for example, a Gaussian profile into a top-hat profile. Alternatively, each of the converters 16 can convert a Gaussian profile into an M profile, for example.
  • the nine partial radiations of the laser radiation 2 running next to one another in the vertical direction in FIG. 24 are combined by the Fourier lens 27 with one another in the first plane 5, so that a linear intensity distribution with 1 by 150 pixels is generated there.
  • the intensity distribution from the first plane 5 is mapped into the working plane 11 by the projection device (not shown).

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Abstract

The invention relates to a laser device for generating laser radiation, which has an intensity distribution with a plurality of intensity maximums in a working plane (11), comprising a laser light source (1) that emits laser radiation (2) during operation of the laser device, forming a linear or planar intensity distribution (6) with a plurality of intensity maximums (7) in a first plane (5), wherein the intensity maximums (7) are at east partially at a first distance (d1) from one another in at least one transverse direction, which is perpendicular to the propagation direction of the laser radiation (2), as well as comprising a projection device (8) that projects the first plane (5) into the working plane (11) in such a way that a linear or planar intensity distribution (6') with a plurality of intensity maximums (7') is produced in the working plane (11).

Description

„Laservorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung sowie 3D- Druck-Vorrichtung mit einer derartigen Laservorrichtung“ "Laser device for generating laser radiation as well as 3D printing device with such a laser device"
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. The present invention relates to a laser device for generating laser radiation, which has an intensity distribution with a plurality of intensity maxima in a working plane, as well as a 3D printing device with such a laser device.
Definitionen: In Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung meint m ittlere Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung, insbesondere wenn diese keine ebene Welle ist oder zum indest teilweise divergent ist.Definitions: In the direction of propagation of the laser radiation, mean means the direction of propagation of the laser radiation, especially if this is not a plane wave or is at least partially divergent.
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 eineUnless expressly stated otherwise, a laser beam, light beam, partial beam or beam does not mean an idealized beam of geometrical optics, but a real light beam, such as a laser beam with a Gaussian profile or a modified Gaussian profile that is not infinitesimal has a small, but an extended beam cross-section. The M-profile denotes an intensity profile of laser radiation, the cross-section of which has a lower intensity in the middle than in one or more extra-central areas. With top hat distribution or top hat intensity distribution or top hat profile is one
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. Intensity distribution meant, which at least one direction can essentially be described by a rectangular function (rect (x)). Real intensity distributions that deviate from a rectangular function in the percentage range or have sloping edges are also to be referred to as top hat distribution or top hat profile.
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. A laser device of the type mentioned at the beginning and a 3D printing device of the type mentioned at the beginning are known, for example, from WO 2015/134075 A2. With the one described therein A 3D printing device uses a plurality of semiconductor lasers, the light of which is coupled into a plurality of optical fibers. The laser radiation emerging from the optical fibers is used for the targeted application of a starting material for 3D printing, which is arranged in a work area of the 3D printing device.
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. A disadvantage of laser devices known from the prior art and 3D printing devices with optical fibers from which the laser radiation required for 3D printing emerges is that, as a rule, only a small working distance can be achieved. This can damage or contaminate the optics used. Furthermore, there are gaps between the individual pixels used for 3D printing because the gaps between the cores of the optical fibers are comparatively large and the sheaths of adjacent optical fibers are arranged between the cores. Furthermore, the pixel size is often too large, so that a good resolution cannot be achieved.
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. The problem on which the present invention is based is to create a laser device of the type mentioned above and a 3D printing device of the type mentioned above, which allow a smaller pixel size in the working plane and / or a larger working distance.
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. According to the invention, this is achieved by a laser device of the type mentioned at the beginning with the features of claim 1 and by a 3D printing device of the type mentioned at the beginning with the features of claim 28. The subclaims relate to preferred embodiments of the invention. According to claim 1, it is provided that the laser device comprises a laser light source which, when the laser device is in operation, emits laser radiation that forms a linear or planar intensity distribution with a plurality of intensity maxima in a first plane, the intensity maxima in at least one transverse direction , which is perpendicular to the central direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a first distance from one another, the laser device further comprising a projection device which maps the first plane into the working plane in such a way that a linear or planar intensity distribution with a plurality of intensity maxima is formed.
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. In particular, the intensity maxima of the intensity distribution in the first plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, can at least partially have a first distance from one another, the projection device being able to map the first plane into the working plane so reduced that the intensity maxima the intensity distribution in the working plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a second distance from one another which is smaller than the first distance. The intensity maxima in the working plane can all have the second distance from one another in the at least one transverse direction. Furthermore, the reduction achieved by the projection device can be between 1 and 20.
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. As a result of the reduction, the size of the intensity maxima or the pixel size in the working plane can be significantly reduced. Also the distances between the individual Intensity maxima can thereby be reduced. In particular, the gaps between the intensity maxima can be filled accordingly. For example, the pixel size can be significantly smaller than 100 μm or even smaller than the diameter of the cores of the optical fibers. It can be provided that the working distance between the projection device and the working plane is greater than 50 mm, in particular greater than 100 mm, preferably equal to or greater than 200 mm. In particular, a reducing projection device increases the working distance accordingly, so that, for example, distances of more than 200 mm can be achieved. In this way, damage to or contamination of the optics used can be avoided. Furthermore, there is an increased depth of field in the working plane.
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. Alternatively, it can be provided that the intensity maxima of the intensity distribution in the first plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, are at least partially at a first distance from one another, the projection device being able to map the first plane into the working plane in this way, that the intensity maxima of the intensity distribution in the working plane in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation, at least partially have a second distance from one another, which is greater than the first distance or which is equal to the first distance. The projection device can achieve a magnification between 1 and 5 or a magnification of 1, for example.
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. It can be provided that the projection device is a telecentric projection device, in particular a projection device that is telecentric on both sides. Through a telecentric Projection device, uniform angular distributions of the laser radiation can be achieved in the working plane. In 3D printing, the even angular distributions lead to even temperature distributions of the raw material to be heated. Compared to a non-telecentric projection device, a telecentric projection device has a greater depth of field and less distortion.
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. There is the possibility that at least one component of the projection device is cylindrical in shape. Alternatively or additionally, at least one component of the projection device can be cylindrical or spherical or aspherical in shape. Furthermore, it can be provided that at least one component of the projection device is a microlens array. It can be provided that the at least one microlens array is a refractive, reflective or holographic optical element or an optical element with a continuous surface or a binary or multi-stage diffractive optical element. There is the possibility that the laser light source comprises at least one fiber laser. Alternatively, other laser light sources such as laser diode bars or the like can also be provided.
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. It can be provided that the laser light source comprises a plurality of optical fibers, from the ends of which a partial radiation of the laser radiation emerges, the optical fibers being in particular single-mode fibers or large-mode area fibers or few-mode fibers. The diffraction index M 2 of such light sources can especially for use with a converter, smaller than 2, preferably smaller than 1.5.
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 dieThe laser light source can have a holder with a plurality of grooves, in particular V-shaped grooves, each of the optical fibers being arranged in one of the grooves. Through the
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. Mounted in V-grooves, the optical fibers can be precisely positioned with respect to one another. As a result, a very constant overlap of the individual intensity maxima of, for example, only 1 pm can be realized in the working plane. In order to improve the accuracy of the positioning, the part of the holder that has the V-grooves can be formed in one piece.
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. Alternatively, it can be provided that a one-dimensional or two-dimensional array of optical fibers is formed in that the optical fibers or their ends are connected directly, for example by gluing and / or splicing, to an optical component or to a window, in particular wherein the Connection of the optical fibers with the optical component or the window a, preferably one-piece, optical component is created. The optical component can be the first optical component arranged behind the laser light source in the direction of propagation of the laser radiation. The window can be part of a fiber holder or fiber carrier, for example.
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. There is the possibility that the intensity maxima generated in the first plane are each formed by the partial radiation exiting from one of the optical fibers. Suitable optics can be provided in order to focus the partial radiation in the first plane. It can be provided that the partial radiations in the individual optical fibers have a mode profile which corresponds to a Bessel profile or a Gaussian profile or an M profile or a top hat profile. Furthermore, the intensity maxima in the working plane can each have a Gaussian or a super Gaussian or a top hat profile or an M profile or a process-optimized profile. In particular, any profile can be generated in the working plane that can deviate from the named profiles. The profile of the intensity distributions can preferably be changed as a function of the materials to be processed.
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. There is the possibility that the laser device comprises at least one converter which can change the intensity profile of the laser radiation or one or more of the partial radiations, wherein the converter can, for example, convert a Gaussian profile into a top-hat profile.
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. It can be provided that the at least one converter is designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter, in particular as an axially symmetrical binary phase plate, or that the at least one converter is designed as a 1 D Gaussian to Sinc -Function converter is designed, in particular as two cylindrical binary phase plates, which are aligned perpendicular to each other.
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 derIn particular, a plurality of converters can be provided, which are arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array. Such an array of converters could be arranged between the laser light source and the projection device. It can be provided that the at least one converter is integrated into the projection device. In this case, a single converter could be used instead of an array of converters. There is a possibility that the intensity maxima in the
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. Working plane each have a circular or a square or a hexagonal outline. For example, square outlines are advantageous because gaps can be avoided between them. By changing the shape of the pixels in the working plane, an adaptation to the materials to be processed can be made.
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. It can be provided that the laser device comprises at least one collimation element, in particular a plurality of collimation elements, for collimation of the laser radiation emerging from the laser light source. The plurality of collimation elements can be arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array, which is in particular a lens array. The collimation elements can reduce the divergence of the laser radiation. If the collimation elements are designed as crossed cylindrical lenses, spaces between individual partial beams can be reduced.
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. There is the possibility that the plurality of intensity maxima in the working plane can be switched on or off individually or in groups, in particular by appropriate control of the laser light source. This results in individually addressable pixels in the working plane for 3D printing. In particular, the individual pixels or intensity maxima in the working plane can have up to several 100 W of power per pixel. With a laser device according to the invention, linear or planar intensity distributions can be generated in the working plane.
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. It can be provided that the laser device comprises means for superimposing individual partial radiations emanating from the laser light source into individual pixels in the first plane and / or that the laser device comprises means for dividing individual or all partial radiations emanating from the laser light source into several pixels in the first level .
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. The superposition can take place, for example, in a geometrical or optical manner. Alternatively, a superposition can also be achieved via polarization couplers or wavelength couplers. The superposition of several partial beams to form a pixel can be advantageous, for example, to enable power scaling or to reduce the loads on critical optical elements or to have one or more reserve channels if individual channels fail.
Das Aufteilen von Teilstrahlungen in mehrere Pixel kann beispielsweise bei einer parallelen Prozessierung vorteilhaft sein. The division of partial radiation into a plurality of pixels can be advantageous, for example, in the case of parallel processing.
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. There is the possibility that the laser device comprises at least one Fourier lens and / or at least one array of Fourier lenses, which are arranged in particular between the laser light source and the first plane. The at least one Fourier lens and / or the at least one array of Fourier lenses can serve, for example, as a means for superimposing individual partial radiations emanating from the laser light source into individual pixels in the first plane. It can be provided that several subsystems of the laser device, which for example generate several laser lines consisting of pixels, can be operated in parallel.
Gemäß Anspruch 28 ist vorgesehen, dass die Laservorrichtung eine erfindungsgemäße Laservorrichtung ist. Eine erfindungsgemäßeAccording to claim 28 it is provided that the laser device is a laser device according to the invention. An inventive
Laservorrichtung stellt eine industriell sehr attraktive Lösung dar, m it der insbesondere ein 3D-Druck m it metallischen Ausgangsmaterialien durchgeführt werden kann. Laser device represents an industrially very attractive solution with which, in particular, 3D printing can be carried out with metallic starting materials.
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. The working plane of the laser device can correspond to the working area of the 3D printing device. The scanning device can be designed such that the laser radiation is moved relative to the work area or the work area is moved relative to the laser radiation.
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. In particular, the laser radiation generated by the laser device can be deflected by the scanning device as a whole, the scanning device being designed, for example, as a galvano scanner. This is possible in particular because of the good beam quality that can be generated with the laser device according to the invention, the large working distance and the large depth of field in the working plane.
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; There is therefore no need to deflect each individual partial radiation with, for example, a single mirror. Further features and advantages of the present invention will become clear on the basis of the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 2a eine erste Intensitätsverteilung einer mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 2a shows a first intensity distribution of a laser radiation generated with a laser device according to the invention in a working plane;
Fig. 2b eine zweite Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 2b shows a second intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 3a eine dritte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 3a shows a third intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 3b eine vierte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 3b shows a fourth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 4 eine fünfte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 4 shows a fifth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 5 shows a schematic side view of a second embodiment of a laser device according to the invention; 6 shows a schematic side view of a third embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 7a eine sechste Intensitätsverteilung einer mit einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 7a shows a sixth intensity distribution of a laser radiation generated with a laser device according to the invention in a working plane;
Fig. 7b ein Diagramm , das die sechste Intensitätsverteilung gemäß Fig. 7a verdeutlicht; FIG. 7b shows a diagram which illustrates the sixth intensity distribution according to FIG. 7a; FIG.
Fig. 7c eine siebte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 7c shows a seventh intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 7d ein Diagramm , das die siebte Intensitätsverteilung gemäß Fig. 7c verdeutlicht; 7d shows a diagram which illustrates the seventh intensity distribution according to FIG. 7c;
Fig. 8 eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 8 shows a schematic side view of a fourth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 9 eine schematische Seitenansicht einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 9 shows a schematic side view of a fifth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 10 shows a schematic side view of a sixth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 1 1 eine schematische Seitenansicht einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; Fig. 12 eine schematische Seitenansicht einer achten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 1 1 shows a schematic side view of a seventh embodiment of a laser device according to the invention; 12 shows a schematic side view of an eighth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 13 eine schematische Seitenansicht einer neunten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 13 shows a schematic side view of a ninth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 14 eine schematische Seitenansicht einer zehnten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 14 shows a schematic side view of a tenth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 15 eine schematische Seitenansicht einer elften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 15 shows a schematic side view of an eleventh embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 16 eine achte Intensitätsverteilung einer m it einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung in einer Arbeitsebene erzeugten Laserstrahlung; 16 shows an eighth intensity distribution of a laser radiation generated in a working plane with a laser device according to the invention;
Fig. 17 eine schematische Seitenansicht einer zwölften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung; 17 shows a schematic side view of a twelfth embodiment of a laser device according to the invention;
Fig. 18 eine schematische Seitenansicht eines Details einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 3D-Druck- Vorrichtung; 18 shows a schematic side view of a detail of a first embodiment of a 3D printing device according to the invention;
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; 19 shows a schematic side view of a detail of a second embodiment of a 3D printing device according to the invention; 20 shows a schematic side view of a detail of a third embodiment of a 3D printing device according to the invention;
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; 21 a shows a schematic side view of a first embodiment of a projection device of a laser device according to the invention, with some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
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 b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 21 a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown; FIG.
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; 21c shows a schematic side view, rotated by 90 °, of the projection device according to FIG. 21a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
Fig. 22a eine schematische Seitenansicht einer zweiten22a is a schematic side view of a second
Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung, wobei einige beispielhafte Strahlen einer sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegenden Laserstrahlung eingezeichnet sind; Embodiment of a projection device of a laser device according to the invention, some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
Fig. 22b eine schematische Seitenansicht der Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 22a, bei der die sich durch die22b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 22a, in which the
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 drittenLaser radiation moving through the projection device is shown; 22c shows a schematic side view, rotated by 90 °, of the projection device according to FIG. 22a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown; 23a is a schematic side view of a third one
Ausführungsform einer Projektionsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung, wobei einige beispielhafte Strahlen einer sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegenden Laserstrahlung eingezeichnet sind; Embodiment of a projection device of a laser device according to the invention, some exemplary beams of a laser radiation moving through the projection device being shown;
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 der23b shows a schematic side view of the projection device according to FIG. 23a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown; 23c is a schematic side view of FIG
Projektionsvorrichtung gemäß Fig. 23a, bei der die sich durch die Projektionsvorrichtung hindurchbewegende Laserstrahlung eingezeichnet ist; Projection device according to FIG. 23a, in which the laser radiation moving through the projection device is shown;
Fig. 24 eine schematische Seitenansicht eines Details einer dreizehnten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung. 24 shows a schematic side view of a detail of a thirteenth embodiment of a laser device according to the invention.
In den Figuren sind gleiche oder funktional gleiche Teile m it gleichen Bezugszeichen versehen. In einige der Figuren ist ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet. Identical or functionally identical parts are provided with the same reference symbols in the figures. A Cartesian coordinate system is drawn in some of the figures.
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. The first embodiment of a laser device according to the invention depicted in FIG. 1 comprises a laser light source 1 for generating one that is only indicated schematically in FIG. 1 Laser radiation 2. The laser light source 1 is designed in particular as an array of lasers, preferably as an array of fiber lasers with a plurality of optical fibers 3, from each of which a partial radiation of the laser radiation 2 emerges. The continuous wave output power of the laser light source 1 can be between 1 W and 1000 W, for example. The wavelength of the laser radiation 2 emitted by the laser light source 1 can be, for example, 1080 nm.
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. Alternatively, it can also be provided that, instead of a plurality of fiber lasers, a plurality of other lasers such as a laser diode bar with a plurality of emitters are provided, the light of which is each coupled into an optical fiber.
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. In the exemplary embodiment shown, the optical fibers 3 are arranged next to one another in a direction which corresponds to the vertical direction in FIG. 1. This results in a one-dimensional array of optical fibers 3, from the ends of which one of the partial radiation emerges. The distance between the centers of the optical fibers can be between 20 μm and several millimeters.
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 derAlternatively, it can be provided that the optical fibers 3 are not arranged next to one another in one direction but rather are arranged next to one another in two directions, in particular perpendicular to one another. In this case, there is a two-dimensional array of optical fibers 3, each of which has one of the ends
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. Partial radiation escapes. Here, too, the center-to-center spacing of the optical fibers can be between 20 μm and several millimeters. The laser light source 1 comprises, in particular, a holder (not shown) with a plurality of V-shaped grooves which are arranged equidistant from one another. Each of the optical fibers 3 is arranged in one of the grooves. The holder can in particular consist of silicone or glass.
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 derThe optical fibers 3 can be positioned precisely with respect to one another by means of this holder in V-grooves. In order to improve the accuracy of the positioning, the part of the holder that has the V-grooves can be formed in one piece. Alternatively, there is the possibility of forming a one-dimensional or two-dimensional array of optical fibers by connecting the optical fibers or their ends directly to an optical component, for example by gluing and / or splicing. The optical component can be the first in the direction of propagation
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. Acting laser radiation behind the laser light source arranged optical component. Alternatively, the optical fibers can also be connected to a window that is part of a fiber holder or fiber carrier, for example. In particular, by connecting the optical fibers to the optical component or the window, a preferably one-piece optical component can be created.
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. The diameter of the core 4 of the optical fibers 3 indicated in FIG. 1 can be between a few μm and 100 μm or more. The mode profile of the laser radiation in each of the optical fibers 3 can be a Bessel profile or a Gaussian profile or a quasi-Gaussian profile or an M profile. The laser radiation 2 emerging from the fiber ends forms in a first plane 5 an intensity distribution 6, indicated schematically in FIG. 1, which has a plurality of intensity maxima 7 spaced apart from one another. The intensity maxima 7 can each have a Gaussian profile, for example. Each of these intensity maxima 7 is formed by one of the partial radiations which emerge from one of the ends of the optical fibers 3. The half width (FWHM) of the individual intensity maxima 7 can be between 10 pm and more than 1 mm. The first distance di of these intensity maxima 7 from one another is indicated in FIG. 1.
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.The laser device further comprises a projection device 8, which is indicated in FIG. 1 only by a rectangle. The projection device 8 is in particular a telecentric, preferably a double-sided telecentric projection device.
Die numerische Apertur der Projektionsvorrichtung 8 kann zwischen 0,001 und 0, 1 oder mehr betragen. The numerical aperture of the projection device 8 can be between 0.001 and 0.1 or more.
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 desThe projection device 8 can comprise at least one refractive component and / or at least one diffractive component and / or at least one reflective component. There is the possibility that at least one component of the projection device is cylindrical or spherical or aspherical in shape. It can be provided that at least one component of the projection device 8 is a microlens array. The at least one microlens array can be a refractive, reflective or holographic optical element or an optical element with a continuous surface or a binary or multi-stage diffractive optical element. The projection device 8 can comprise at least one component which is used to correct chromatic aberration. The projection device 8 can have a zoom function in order to adapt the size of pixels in the working plane or line sizes. The projection device 8 can at least one of the folding of the
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. Include component serving the beam path, such as a mirror, for example, in order to reduce the length of the projection device. In order to project laser radiation with powers of, for example, more than 10 kW, the projection device 8 can comprise at least one component with a cooling function.
Beispiele für komplex aufgebaute Projektionsvorrichtungen finden sich in der DE 198 184 44 A1 und der US 6 560 031 B1 . Examples of complexly structured projection devices can be found in DE 198 184 44 A1 and US Pat. No. 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 verkleinerteThe first embodiment of a projection device 8 depicted in FIG. 1 maps the first plane 5 into the working plane 11. The projection device 8 performs a scaled-down
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. Figure by. The intensity distribution 6 ‘of the laser radiation 2 in the working plane 1 1 is thereby compressed compared to the intensity distribution 6 in the first plane 5. The second distance d2 of the intensity maxima 7 ‘from one another in the working plane 11 is smaller than the first distance di of the intensity maxima 7 in the first plane 5. The reduction in size of the projection device 8 can be between 1 and 20, for example.
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. The projection device 8 further increases the working distance of the working plane 11 from the laser device. The size of the intensity maxima 7 'in the working plane 11 can also be influenced by selecting a working plane that is spaced apart from the working plane 11 and into which a plane adjacent to the first plane is mapped. In Fig. 1 are examples of this two planes 5 ', 5 "adjacent to the first plane 5 and two planes 1 1", 1 1' adjacent to the working plane 1 1 are shown.
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. The intensity maxima 7 'of the laser radiation generated in the working plane 11 can be viewed as pixels of a laser radiation that is used for a 3D printing device for generating a spatially extended product. For this purpose, the working plane 11 can be arranged in a working area of a 3D printing device, with the starting material for 3D printing to be applied to the laser radiation being able to be supplied to the working area.
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 dieDue to the residual divergence of the partial radiation, the extent of the partial radiation changes slightly from plane 5 to plane 5 ″. Since a telecentric projection device 8, in contrast to a non-telecentric projection device, has a large depth of field due to the same magnification factor for the
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. Levels 1 1 to 1 1 ", the second distance d2 for the levels 1 1 to 1 1" is more or less the same, whereas the size of the individual partial beams in the levels 1 1 to 1 1 "due to the residual divergence as for the Levels 5 to 5 "are slightly different from each other.
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 ,This is an important advantage for material processing, because an optimal pixel size is determined not only by the optical pixel size and / or the intensity profile, but also by the physical properties of the materials to be processed, such as the thermal conductivity and the density of the material to be processed. The size of the partial radiation or the pixels can be adapted by simply changing from one level 1 1 to another level 1 1 ', 1 1 ". This can be, for example, a change from a level 1 1, 1 1', 1 1 " with the best homogeneity of the line intensity to another level 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. 1 1 ‘, 1 1“, in which the size of the partial radiation or the pixels is different, for example in which the size of the partial radiation or the pixel is smaller than the distance d2.
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 derThe individual intensity maxima 7 ‘or pixels of the laser radiation 2 used for 3D printing can be switched on and off in a targeted manner. This switching on or off of the pixels can in particular be achieved by appropriate control of the laser light source 1. For example, some of the
Faserlaser ein- oder ausgeschaltet werden. Fiber lasers can be switched on or off.
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. The cross section of the intensity maxima 7 ‘or of the pixels is circular in the embodiment according to FIG. 1. The cross section is indicated in FIG. 1 by the circles 12 arranged next to one another.
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. 2a shows a linear intensity distribution 6 6 of the laser radiation 2 in the working plane 1 1 in a state in which all pixels or intensity maxima 7 ‘are present. In contrast, Fig. 2b shows the intensity distribution 6 ‘in a state in which every second pixel is switched off.
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. FIGS. 3a and 3b show a similar comparison for a laser device which generates a planar intensity distribution 6 ′ in the working plane 11. The individual pixels or intensity maxima 7 'are arranged next to one another in two mutually perpendicular directions which lie in the plane of the drawing. 3a shows the intensity distribution 6 'of the laser radiation 2 in the working plane 11 in a state in which all pixels or intensity maxima 7' are present are. In contrast, FIG. 3b shows the intensity distribution 6 'in a state in which every second pixel is switched off.
Fig. 4 zeigt eine flächenförmige Intensitätsverteilung 6‘ in der Arbeitsebene 1 1 , bei der die Pixel beziehungsweise Intensitätsmaxima 7‘ hexagonal dicht gepackt sind. Fig. 4 shows a planar intensity distribution 6 ‘in the working plane 1 1, in which the pixels or intensity maxima 7 sind are hexagonally densely packed.
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. The embodiment shown in FIG. 5 essentially corresponds to that in FIG. 1. In contrast to this, the embodiment according to FIG. 5 comprises a schematically indicated additional array 13 of optical elements 14 between the laser light source 1 and the projection device 8. The optical elements 14 can be collimation lenses in order to collimate the laser radiation 2 emerging from the laser light source 1. As an alternative or in addition, the optical elements 14 can also be imaging elements or telescopic elements in order to enlarge the depth of field of a focal plane generated in the first plane 5. The optical elements 14 can, for example, map the fiber ends into the first plane 5. The optical elements 14 can be cylindrical or spherical in shape.
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. It is possible to provide two or more than two arrays 13 of optical elements 14 instead of one array 13 of optical elements 14. When using two arrays 13, the optical elements 14 of the two arrays 13 can, for example, be cylindrical lenses that are crossed with respect to one another.
Die in Fig. 6 abgebildete Ausführungsform entspricht im Wesentlichen derjenigen in Fig. 5. Im Unterschied dazu umfasst dieThe embodiment shown in FIG. 6 essentially corresponds to that in FIG
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. Embodiment according to FIG. 6 an additional array 15 of converters 16 and an additional array 17 of Fourier lenses 18. The converters 16, together with the Fourier lenses 18, can Change the intensity profile of the laser radiation 2 or one or more of the partial radiations, each of the converters 16 being able to convert, for example, a Gaussian profile into a top-hat profile. Alternatively, each of the converters 16 can convert a Gaussian profile into an M profile, for example.
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-A converter can be provided which is designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter. An Airy disc function corresponds to ~ Ji (r) / r, where Ji is a Bessel function of the first type. Such Airy disc functions are described, for example, in US Pat. No. 9,285,593 B1. An example of a 2D Gaussian to Airy Disc
Functions-Konverters ist eine axialsymmetrische binäre Phasenplatte. Eine derartige Phasenplatte ist in der US 5 300 756 beschrieben. Functions converter is an axially symmetric binary phase plate. Such a phase plate is described in US Pat. No. 5,300,756.
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. A converter can also be provided which is designed as a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter. A sinc function corresponds to 5ίh (pc) / pc. An example of a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter are two cylindrical binary phase plates which are aligned perpendicular to one another.
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. Such a converter, for example a 2D converter or two 1 D plates aligned perpendicularly to one another, is used together with a Fourier lens as a Gaussian-to-Tophat converter or a Gaussian-to-M-shape converter.
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. It is entirely possible to provide more than one array 13 of optical elements 14 and / or more than one array 15 of converters 16 and / or more than one array 17 of Fourier lenses 18. 6 indicates schematically that the intensity maxima 7 in the first plane 5 and the intensity maxima 7 'in the working plane 11 have a top hat shape.
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. 7a and 7b show a linear intensity distribution 6 of the laser radiation 2 in the working plane 11 in a state in which all pixels or intensity maxima 7 ‘are present. In contrast, FIGS. 7c and 7d show the intensity distribution 6 ‘in a state in which every second pixel is switched off. This makes it clear that the intensity maxima 7 ‘in FIG. 7d have a top-hat profile.
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. The embodiment shown in FIG. 8 essentially corresponds to that in FIG. 6. In contrast to this, the embodiment according to FIG. 8 comprises only one array 13 of optical elements 14, which can be designed as collimation lenses, for example, and an additional array 15 of converters 16, the Fourier lenses being integrated into this array 15.
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. The embodiment shown in FIG. 9 essentially corresponds to that in FIG. 8. In contrast to this, the embodiment according to FIG. 9 comprises only one array 13 of optical elements 14, which can be designed as collimation lenses, for example, the converter and the Fourier lenses in this array 15 are integrated.
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 derThe embodiment shown in FIG. 10 corresponds essentially to that in FIG. 6. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 10, the cross section is
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 imIntensity maxima 7 'or the pixels are square. The cross section is indicated in FIG. 10 by the squares 19 arranged next to one another. A square cross section of the Intensity maxima 7 'can be achieved, for example, by using crossed cylinder lenses instead of spherical or aspherical circular lenses. This can be the lenses of the arrays 13, 17. The embodiment shown in Fig. 1 1 corresponds to
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. Essentially that in FIG. 8. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 11, the cross section of the intensity maxima 7 or of the pixels is square. The cross section is indicated in FIG. 11 by the squares 19 arranged next to one another.
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. The embodiment shown in FIG. 12 essentially corresponds to that in FIG. 9. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 12, the cross section of the intensity maxima 7 ‘or of the pixels is square. The cross section is indicated in FIG. 12 by the squares 19 arranged next to one another.
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 derThere is definitely the possibility of providing a hexagonal cross section instead of a circular or a square cross section for the intensity distributions 7. In the embodiment of FIG. 13 is within the
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-Projection device 8, a converter 20 is provided, which can change the intensity profile 6 of all partial radiations of the laser radiation 2. The converter 20 can, for example, convert a Gaussian profile into a top hat profile or a Gaussian profile into an M profile. In the specific embodiment, the intensity maxima 7 in the first plane 5 have a Gaussian profile and the intensity maxima 7 ′ in the working plane 11 have a top-hat profile. The converter 20 can be designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter. An example of a 2D Gaussian to Airy disc functions converter is an axially symmetric binary phase plate. The converter 20 can also be designed as a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter. An example of a 1 D Gaussian-to-Sinc function
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. Converters are two cylindrical binary phase plates that are aligned perpendicular to each other. In both cases, the second half of the projection lens 8, which is arranged behind the converter 20, can serve as a Fourier lens. However, a different Fourier lens can alternatively be provided.
Der Konverter 20 ist in der Projektionsvorrichtung 8 an einem Ort angeordnet, an dem üblicherweise Aperturblenden vorgesehen sind. The converter 20 is arranged in the projection device 8 at a location at which aperture diaphragms are usually provided.
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. The embodiment shown in FIG. 14 essentially corresponds to that in FIG. 13. In contrast to this, the embodiment according to FIG. 14 comprises a schematically indicated additional array 13 of optical elements 14 between the laser light source 1 and the projection device 8. The optical elements 14 can Be collimation lenses in order to collimate the laser radiation 2 emerging from the laser light source 1. As an alternative or in addition, the optical elements 14 can also be imaging elements or telescopic elements in order to enlarge the depth of field of a focal plane generated in the first plane 5. The optical elements 14 can, for example, map the fiber ends into the first plane 5. The optical elements 14 can be cylindrical or spherical in shape.
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. It is possible to provide two arrays 13 of optical elements 14 instead of one array 13 of optical elements 14. The embodiment shown in FIG. 15 essentially corresponds to that in FIG. 13. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 15, the cross section of the intensity maxima 7 ′ or of the pixels is square. The cross section is indicated in FIG. 15 by the squares 19 arranged next to one another.
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 einemFIG. 16 shows a planar or rectangular intensity distribution 6 ‘of the laser radiation 2 in the working plane 11 that can be generated by the laser device according to FIG. 15. For example, it can have 5 by 150 pixels with a top hat profile and a
Durchmesser von mehr als 100 pm vorgesehen sein. In dem in Fig. 16 abgebildeten Zustand ist jedes zweite Pixel beziehungsweise Intensitätsmaximum 7‘ ausgeschaltet. Diameters of more than 100 μm can be provided. In the state shown in FIG. 16, every second pixel or intensity maximum 7 is switched off.
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. The embodiment shown in FIG. 17 essentially corresponds to that in FIG. 14. In contrast to this, in the embodiment according to FIG. 17, the cross section of the intensity maxima 7 ′ or of the pixels is square. The cross section is indicated in FIG. 17 by the squares 19 arranged next to one another. In the embodiment of a 3D printing device shown in FIG. 18, a scanning device 21, indicated only schematically, is provided in addition to a laser device, with which the laser radiation 2 can be moved in the working plane 11. The scanning device 21 can be designed, for example, as a polygon scanner or as a galvanometer scanner. In the exemplary embodiment shown in FIG. 18, the scanning device 21 is arranged between the projection device 8 and the working plane 11. The working plane 11 of the laser device can correspond to a working area of the 3D printing device to which the starting material for the 3D printing to be acted upon with the laser radiation 2 can be supplied. In the laser device according to FIG. 18, all of the in FIGS.
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. 1, 5, 6, 8 to 15 and 17 are indicated. There are therefore both the arrays 13, 15, 17 in front of the projection device 8 and a common converter 20 in the projection device 8. Furthermore, both circles 12 and squares 19 are indicated as possible cross-sectional shapes of the pixels in the working plane 11. Furthermore, both intensity maxima 7 einem with a Gaussian profile and intensity maxima 7 with a top hat profile are indicated in the working plane.
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. It should be noted that these are alternatives that cannot or should not all be implemented simultaneously or in one structure. Rather, with reference to FIGS. 1, 5, 6, 8 to 15 and FIG.
17 diskutierten Ausführungsformen in die 3D-Druck-Vorrichtung gemäß Fig. 18 integriert werden können. Die in Fig. 19 abgebildete Ausführungsform entspricht im17 can be integrated into the 3D printing device according to FIG. 18. The embodiment shown in FIG. 19 corresponds to FIG
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 derEssentially that in Fig. 18. In contrast to this, in the embodiment according to Fig. 19, the scanning device 21 is arranged in the projection device 8, in particular between a first part 9 and a second part 10 of the projection device 8. The common converter 20 is between the
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. Scanning device 21 and the second part 10 are provided. The two parts 9, 10 can form a Fourier transforming device. The first part 9 can, for example, have a zoom function to have. Furthermore, the second part 10 can serve, for example, as an F-theta lens or as a flat field lens.
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 dieThe embodiment shown in FIG. 20 corresponds essentially to that in FIG. 19. In contrast to this, in the embodiment according to FIG
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. Projection device 8 arranged, wherein the scanning device 21 can nevertheless be arranged in particular between two schematically indicated parts 9, 10 and in front of the common converter 20. In this case too, the two parts 9, 10 can form a Fourier transforming device. The first part 9 can have a zoom function, for example. Furthermore, the second part 10 can serve, for example, as an F-theta objective or as a flat field lens.
Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass wenigstens eine der Komponenten 9, 10, 20 genutzt werden sollte, während die andere Komponenten optional sind. It should be noted at this point that at least one of the components 9, 10, 20 should be used, while the other components are optional.
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 the embodiments of 3D printing devices shown in FIGS. 18 to 20, the laser radiation 2 generated by the laser device can be deflected by the scanning device 21 as a whole.
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.In FIGS. 21 a to 21 c, a preferred embodiment of a projection device 8 is shown, which brings about a reduction by a factor of 5 when imaging from the first plane 5 into the working plane 11. In the projection device 8, three groups 22, 23, 24 of at least one lens each are provided.
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. The first group 22 has a positive refractive power, the second group 23 has a negative refractive power and the third group 24 in turn has a positive refractive power. 21b and 21c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transversely to the direction of propagation 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. In FIGS. 22a to 22c, a likewise preferred embodiment of a projection device 8 is shown, which effects a 1: 1 mapping from the first plane 5 into the working plane 11. In the projection device 8 there are again three groups 22, 23, 24 each provided by at least one lens. The first group 22 has a positive refractive power, the second group 23 has a negative refractive power and the third group 24 in turn has a positive refractive power.
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. 22b and 22c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transverse to the direction of propagation z. The projection device 8 depicted in FIGS. 23a to 23c corresponds to that according to FIGS. 22a to 22c except for an additional converter 20 which is arranged in the projection device 8 at a location where aperture diaphragms are usually provided. In the exemplary embodiment shown, the converter 20 consists of two Gaussian-to-top hat converters which are arranged one behind the other and are arranged crossed with respect to one another.
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. 23b and 23c show the passage of the laser radiation 2 through the projection device 8 in two mutually perpendicular directions x, y transverse to the direction of propagation z. The embodiment shown in FIGS. 23a to 23c can on the one hand be viewed as a projection device or imaging device with an additional converter. Alternatively, the embodiment can also be understood in this way that between a first Fourier-transforming part 25 and a second Fourier-transforming part 26 of the converter 20 is arranged.
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. It should be noted at this point that the projection device 8 was shown in the same way in FIGS. 1, 5, 6 and 8 to 12 or in FIGS. 13 to 18 and 20. Nevertheless, the projection device 8 shown in individual of the figures can have components or a structure or properties that differ from those of other individual or all other projection devices 8 in the other figures. Furthermore, due to a different environment of the projection device 8, such as the addition of an array 13 (see FIGS. 1 and 5 or FIGS. 13 and 14), the imaging properties of the projection device 8, such as the distance from the first level 5 to working level 1 1, even if the distance is shown in simplified form in each case the same in the figures.
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.It should also be noted that by mapping the first plane 5 into the working plane 11, the order of the intensity maxima 7, 7 ‘or the pixels arranged next to one another can be maintained or changed.
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. For example, three pixels a - b - c arranged next to one another in the first level 5 in the working plane 11 could also be in the order a '- b' - c 'or, for example, in the order c' - b '- a' or for example be arranged in the order b '- a' - c '.
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. In the embodiment according to FIG. 24, a two-dimensional array, not shown, of for example 9 by 150 optical fibers is provided, of which the laser radiation 2 shown in FIG. 24 goes out. The embodiment comprises two arrays 13 of optical elements 14, which are designed as cylindrical lenses and are used for collimation. The cylinder axes of the cylinder lenses on the two arrays 13 are aligned perpendicular to one another or designed as crossed cylinder lenses.
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. The embodiment according to FIG. 24 furthermore comprises two mutually crossed arrays 15 of converters 16. Furthermore, the embodiment comprises a Fourier lens 27 and an adjoining array 17 of Fourier lenses 18. The converters 16, together with the Fourier lenses 18, can define the intensity profile of the laser radiation 2 or change one or more of the partial radiations, each of the converters 16 being able to convert, for example, a Gaussian profile into a top-hat profile. Alternatively, each of the converters 16 can convert a Gaussian profile into an M profile, for example.
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. The nine partial radiations of the laser radiation 2 running next to one another in the vertical direction in FIG. 24 are combined by the Fourier lens 27 with one another in the first plane 5, so that a linear intensity distribution with 1 by 150 pixels is generated there. The intensity distribution from the first plane 5 is mapped into the working plane 11 by the projection device (not shown).

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
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. 1 . Laser device for generating laser radiation which has an intensity distribution with a plurality of intensity maxima in a working plane (1 1), comprising a laser light source (1) which emits laser radiation (2) which in a first plane (5 ) forms a linear or planar intensity distribution (6) with a plurality of intensity maxima (7), a projection device (8) which maps the first plane (5) into the working plane (11) in such a way that in the working plane ( 1 1) a linear or planar intensity distribution (6 ') with a plurality of intensity maxima (7') is formed.
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. 2. Laser device according to claim 1, characterized in that the intensity maxima (7) of the intensity distribution (6) in the first plane (5) in at least one transverse direction which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation (2), at least partially a first Distance (di) from one another, the projection device (8) depicting the first plane (5) reduced in size in the working plane (1 1) in such a way that the intensity maxima (7 ') of the intensity distribution (6') in the working plane (1 1) in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation (2), at least partially have a second distance (d2) from one another which is smaller than the first distance (di).
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 die3. Laser device according to claim 1, characterized in that the intensity maxima (7) of the intensity distribution (6) in of the first plane (5) in at least one transverse direction, which is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation (2), at least partially have a first distance (d 1) from one another, the projection device (8) in such a way in the working level (1 1) shows that the
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. Intensity maxima (7 ') of the intensity distribution (6') in the working plane (1 1) in at least one transverse direction that is perpendicular to the direction of propagation of the laser radiation (2), at least partially have a second distance (d2) from one another which is greater than is the first distance (di) or which is equal to the first distance (di).
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. 4. Laser device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the intensity maxima (7 ‘) in the working plane (1 1) in the at least one transverse direction all have the second distance (d2) from one another.
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. 5. Laser device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the reduction achieved by the projection device (8) is between 1 and 20 or that the projection device (8) achieves a magnification between 1 and 5 or a magnification of 1.
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. 6. Laser device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the projection device (8) is a telecentric projection device, in particular a projection device that is telecentric on both sides.
7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung (8) zylindrisch geformt ist. 7. Laser device according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one component of the projection device (8) is cylindrical in shape.
8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass m indestens ein Bauteil der Projektionsvorrichtung (8) ein Mikrolinsenarray ist. 8. Laser device according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one component of the projection device (8) is a microlens array.
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. 9. Laser device according to claim 8, characterized in that the at least one microlens array is a refractive, reflective or holographic optical element or an optical element with a continuous surface or a binary or multi-stage diffractive optical element.
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. 10. Laser device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the working distance between the projection device (8) and the working plane (1 1) is greater than 50 mm, in particular greater than 100 mm, preferably equal to or greater than 200 mm is.
1 1 . Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (1 ) m indestens einen Faserlaser umfasst. 1 1. Laser device according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the laser light source (1) comprises at least one fiber laser.
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. 12. Laser device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the laser light source (1) comprises a plurality of optical fibers (3), from the ends of which a partial radiation of the laser radiation (2) emerges, the optical fibers (3) in particular Single-mode fibers or large-mode area fibers or few-mode fibers are.
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. 13. Laser device according to claim 12, characterized in that the laser light source (1) has a holder with a plurality of grooves, in particular V-shaped grooves, each of the optical fibers (3) being arranged in one of the grooves.
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. 14. Laser device according to claim 13, characterized in that a one-dimensional or two-dimensional array of optical fibers (3) is formed in that the optical fibers (3) or their ends directly, for example by gluing and / or splicing, with an optical component or be connected with a window, in particular wherein the connection of the optical fibers (3) with the optical component or the window creates a preferably one-piece optical component.
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. 15. Laser device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the intensity maxima (7) generated in the first plane (5) are each formed by the partial radiation exiting from one of the optical fibers (3).
16. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlungen in den einzelnen16. Laser device according to one of claims 12 to 15, characterized in that the partial radiation in the individual
Lichtleitfasern (3) ein Modenprofil aufweisen, das einem Bessel- Profil oder einem Gauß-Profil oder einem M-Profil oder einem Top-Hat-Profil entspricht. Optical fibers (3) have a mode profile which corresponds to a Bessel profile or a Gaussian profile or an M profile or a top hat profile.
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. 17. Laser device according to one of claims 1 to 16, characterized in that the intensity maxima (7 ') in the working plane (1 1) each have a Gaussian or a super-Gaussian or a top hat profile or an M profile or a have a process-optimized profile.
18. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung m indestens einen18. Laser device according to one of claims 1 to 17, characterized in that the laser device at least one
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. Converter (16, 20) comprises the intensity profile (6) of the laser radiation (2) or one or more of the partial radiations can change, the converter (16, 20) being able to convert, for example, a Gaussian profile into a top-hat profile.
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. 19. Laser device according to claim 18, characterized in that the at least one converter (16, 20) is designed as a 2D Gaussian to Airy disc functions converter, in particular as an axially symmetrical binary phase plate, or that the at least one Converter (16, 20) is designed as a 1 D Gaussian-to-Sinc function converter, in particular as two cylindrical binary phase plates which are aligned perpendicular to one another.
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. 20. Laser device according to one of claims 18 or 19, characterized in that a plurality of converters (16) are provided, which are arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array (15).
21 . Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der m indestens eine Konverter (20) in die Projektionsvorrichtung (8) integriert ist. 21st Laser device according to one of Claims 18 to 20, characterized in that the at least one converter (20) is integrated into the projection device (8).
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. 22. Laser device according to one of claims 1 to 21, characterized in that the intensity maxima (7 ‘) in the working plane (1 1) each have a circular or a square or a hexagonal outline.
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. 23. Laser device according to one of claims 1 to 22, characterized in that the laser device comprises at least one collimation element (14), in particular a plurality of collimation elements (14), for collimation of the laser radiation emerging from the laser light source.
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. 24. Laser device according to claim 23, characterized in that the plurality of collimation elements (14) is arranged in a one-dimensional or a two-dimensional array (13), which is in particular a lens array.
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 ). 25. Laser device according to one of claims 1 to 24, characterized in that the plurality of intensity maxima (7 ') in the working plane (1 1) can be switched on or off individually or in groups, in particular by corresponding control of the laser light source (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. 26. Laser device according to one of claims 1 to 25, characterized in that the laser device comprises means for superimposing individual partial beams emanating from the laser light source (1) into individual pixels in the first plane (5) and / or that the laser device comprises means for dividing individual ones or all of the partial radiations emanating from the laser light source (1) into a plurality of pixels in the first plane (5).
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. 27. Laser device according to one of claims 1 to 26, characterized in that the laser device comprises at least one Fourier lens (27) and / or at least one array (17) of Fourier lenses (18), in particular between the laser light source (1) and the first level (5) are arranged.
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. 28. 3D printing device for generating a spatially extended product, comprising a laser device for generating laser radiation (2) which has an intensity distribution (6 ') with a plurality of intensity maxima (7') in a working plane (11) , a work area to which the starting material for 3D printing to be acted upon by the laser radiation (2) is or can be supplied, the work area being arranged in the 3D printing device in such a way that the laser radiation (2) strikes the work area, as well as a scanning device (21) which can target the laser radiation (2) to different locations in the work area, characterized in that the laser device is a laser device according to one of claims 1 to 27.
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