DE102019215388A1 - Device with variable focus for the production of objects by building them up in layers from powdery material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus Pulverwerkstoff. Sie umfasst ein Bauvolumengehäuse (16) mit einer Umfangswandung (18), eine Basisplattenanordnung (12) innerhalb des Bauvolumengehäuses, wobei die Umfangswandung (18) und die Basisplattenanordnung (12) relativ zueinander bewegbar sind, eine Pulverschichtenpräparationseinrichtung zur Bildung einer jeweiligen Werkstoffpulverschicht (20) zur Aktualisierung eines Baufeldes (7), eine Bestrahlungseinrichtung (30) zur ortsselektiven Bestrahlung der jeweils zuletzt präparierten Werkstoffpulverschicht (20) zum Zwecke des ortsselektiv gezielten Umschmelzens des Pulvers und ein oberes die Pulverschichtenpräparationseinrichtung aufnehmendes Prozessraumgehäuse (4) zur Bildung eines abgedichteten Hohlraumes als Prozesskammer über dem Baufeld. Eine Brennweite und/oder ein Fokus und/oder ein Fokusdurchmesser der Bestrahlungseinrichtung (30) sind auf zwei verschiedene Arten verstellbar, sodass ein minimal erreichbarer Fokus verändert werden kann, wobei sich bei kurzem Abstand der Bestrahlungseinrichtung zum Baufeld der minimalste Fokus im Vergleich zu einem großen Abstand ergibt. Somit wird eine multifunktionale AM Maschine möglich.The invention relates to a device for producing objects by building them up in layers from powder material. It comprises a structural volume housing (16) with a peripheral wall (18), a base plate arrangement (12) within the structural volume housing, the peripheral wall (18) and the base plate arrangement (12) being movable relative to one another, a powder layer preparation device for forming a respective material powder layer (20) for updating a construction field (7), an irradiation device (30) for the location-selective irradiation of the last prepared material powder layer (20) for the purpose of the locally targeted remelting of the powder and an upper process chamber housing (4) that accommodates the powder layer preparation device to form a sealed cavity as a process chamber the construction site. A focal length and / or a focus and / or a focus diameter of the irradiation device (30) can be adjusted in two different ways, so that a minimally achievable focus can be changed, with the smallest focus compared to a large one with a short distance between the irradiation device and the construction field Distance results. This makes a multifunctional AM machine possible.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, insbesondere metallischem oder/und keramischem Werkstoff in einem Bauprozess, umfassend:
- - ein Bauvolumengehäuse mit einer seitlichen Umfangswandung,
- - eine Basisplattenanordnung zur Stützung eines Baufeldes, wobei die Umfangswandung und die Basisplattenanordnung relativ zueinander mittels einer Antriebsanordnung bewegbar sind, um das innere Volumen des Bauvolumengehäuses oberhalb der Basisplattenanordnung zu variieren,
- - eine Funktionseinrichtung mit einer Pulverschichtenpräparationseinrichtung zur Bildung einer jeweiligen Werkstoffpulverschicht zur Aktualisierung des Baufeldes,
- - eine Bestrahlungseinrichtung zur ortsselektiven Bestrahlung der jeweils zuletzt zur Aktualisierung des Baufeldes präparierten Werkstoffpulverschicht in einem dieser Schicht zugeordneten Querschnittsbereich des betreffenden herzustellenden Gegenstandes oder ggf. der betreffenden Gegenstände mit Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, wobei die Strahlung das Werkstoffpulver in diesem Querschnittsbereich durch Erhitzen zum Verschmelzen oder ggf. zum Versintern bringt, und
- - ein oberes Prozessraumgehäuse zur Bereitstellung eines während eines Bauprozesses gegenüber der Außenumgebung abgedichteten Hohlraumes über dem Baufeld.
- - a volume housing with a lateral peripheral wall,
- a base plate arrangement for supporting a construction field, wherein the peripheral wall and the base plate arrangement can be moved relative to one another by means of a drive arrangement in order to vary the inner volume of the construction volume housing above the base plate arrangement,
- - a functional device with a powder layer preparation device for the formation of a respective material powder layer for updating the construction area,
- - an irradiation device for the location-selective irradiation of the material powder layer last prepared to update the construction area in a cross-sectional area of the relevant object to be manufactured or, if applicable, the relevant objects with radiation, in particular with laser radiation, the cross-sectional area assigned to this layer, wherein the radiation fuses the material powder in this cross-sectional area by heating or possibly sintering, and
- - An upper process space housing for providing a cavity above the construction field that is sealed off from the outside environment during a construction process.
Ein solcher Bauprozess wird auch als additive manufacturing (AM) bezeichnet.Such a construction process is also known as additive manufacturing (AM).
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens oder des selektiven Lasersinterns. Zum Stand der Technik betreffend das Gebiet des selektiven Laserschmelzens kann z.B. auf die
Es ist bekannt, dass mit dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens Formkörper, wie etwa Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke usw. entsprechend Geometriebeschreibungsdaten der entsprechenden Formkörper durch schichtweises Aufbauen aus metallischem oder keramischem Werkstoffpulver hergestellt werden können, wobei in einem Herstellungsprozess nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem normalerweise fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, erhitzt wird, so dass das Werkstoffpulver in den bestrahlten Bereichen zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird dabei jeweils entsprechend den Geometriebeschreibungsdaten des ausgewählten Querschnittsbereichs des Formkörpers oder ggf. daraus abgeleiteten Daten über die jeweilige Pulverschicht geführt. Das Werkstoffpulver wird bei dem selektiven Laserschmelzen normalerweise als bindemittel- und flussmittelfreies, metallisches, keramisches oder gemischt metallisch/-keramisches Werkstoffpulver aufgebracht und durch den Laserstrahl auf seine Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so gewählt wird, dass das Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichtdicke möglichst vollständig aufgeschmolzen wird. Über der Zone der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstoffpulver wird üblicherweise eine Schutzgas-Atmosphäre, z.B. ArgonAtmosphäre, aufrechterhalten.It is known that with the method of selective laser melting moldings such as machine parts, tools, prostheses, pieces of jewelry etc. can be produced in accordance with geometry description data of the corresponding moldings by building up layers of metallic or ceramic material powder, with several layers of powder being applied one on top of the other in one production process and each powder layer is heated with a normally focused laser beam in a predetermined area, which corresponds to a selected cross-sectional area of the model of the shaped body, before the application of the next powder layer, so that the material powder in the irradiated areas is remelted to form cohesive solidified sections. The laser beam is guided over the respective powder layer in accordance with the geometry description data of the selected cross-sectional area of the shaped body or possibly data derived therefrom. In selective laser melting, the material powder is normally applied as a binder- and flux-free, metallic, ceramic or mixed metallic / ceramic material powder and heated to its melting temperature by the laser beam, the energy of the laser beam being selected so that the material powder is at the point of impact The laser beam is melted as completely as possible over its entire layer thickness. A protective gas atmosphere, e.g. argon atmosphere, is usually maintained above the zone of interaction between the laser beam and the material powder.
Je nach herzustellendem Gegenstand werden Bestrahlungseinrichtungen mit einem unterschiedlichem Fokusdurchmesser verwendet.Irradiation devices with a different focus diameter are used depending on the object to be produced.
Hierbei ist unter Fokusdurchmesser der Durchmesser des von der Bestrahlungseinrichtung erzeugten Strahlenbündels im Fokus bzw. der Fokusebene und/oder in der Brennebene zu verstehen.Here, the focus diameter is to be understood as the diameter of the beam generated by the irradiation device in the focus or the focal plane and / or in the focal plane.
In der Berechnung von optischen Systemen wird häufig von idealen Linsen und ideal erzeugter Strahlung ausgegangen. Ein parallel auf eine Linse auftreffendes Strahlenbündel, also eine Menge an parallel zur optischen Achse auf die Linse treffende Strahlen, wird dabei - jedenfalls bei bestimmten Arten von Linsen - nach Durchgang durch die Linse in einem Punkt fokussiert, dem Fokus oder Brennpunkt. Dies erfolgt in der Fokusebene oder Brennebene der Linse, die in einem von Eigenschaften der Linse abhängigen Abstand von der Linse ist.When calculating optical systems, ideal lenses and ideally generated radiation are often assumed. A bundle of rays hitting a lens in parallel, i.e. a number of rays hitting the lens parallel to the optical axis, is - at least with certain types of lenses - focused in a point after passing through the lens, the focus or focal point. This takes place in the focal plane or focal plane of the lens, which is at a distance from the lens that is dependent on the properties of the lens.
Diese theoretischen Berechnungen weisen allerdings die Ungenauigkeit auf, dass es in der Praxis weder ideale Linsen noch ideal erzeugte Strahlung gibt. Somit wird ein reale Strahlungsquelle weder rein Strahlung bzw. Strahlen parallel zur optischen Achse erzeugen, noch wird eine reale Linse alle parallel zur optischen Achse eintreffenden Strahlen genau auf den Fokus umlen ken/ablen ken.However, these theoretical calculations show the inaccuracy that in practice there are neither ideal lenses nor ideally generated radiation. Thus, a real radiation source will neither generate pure radiation or rays parallel to the optical axis, nor will a real lens deflect all rays arriving parallel to the optical axis exactly onto the focus.
Real werden auch bei größter Präzision tatsächlich die Strahlen in einem meist kreis- oder ellipsenförmigen Fokusbereich fokussiert, der sich aber nahe der berechneten Brennebene befindet und in dessen mittlerem Bereich der berechnete Fokus liegt.Even with the greatest precision, the rays actually become real in a mostly circular or focused elliptical focus area, which is close to the calculated focal plane and in the middle area of which the calculated focus is located.
Die Größe dieses Bereichs wird mit „Fokusdurchmesser“ bezeichnet. Dies ist im Falle einer kreisförmigen Form meist der tatsächliche Durchmesser des Kreises. Bei einer Ellipsenform ist dies meist die Länge der Hauptachse der Ellipse. Allgemein wird mit „Fokusdurchmesser“ meist der größte Durchmesser des Fokusbereiches bezeichnet. Allerdings kann im konkreten Fall „Fokusdurchmesser“ auch beispielsweise die Fläche des Fokusbereiches sein oder eine andere Größe, die Auskunft über Ausdehnung und/oder Form gibt, wie beispielsweise der Mittelwert oder quadratische Mittelwert von Hauptachse und Nebenachse bei Ellipsen und/oder mehrere Werte wie zum Beispiel Länge Hauptachse und Verhältnis Hauptachse zu Nebenachse. Wichtig ist nur, dass der Fokusdurchmesser ein Maß dafür ist, wie stark die Abweichung von einem theoretisch punktförmigen Focus ist.The size of this area is called the "focus diameter". In the case of a circular shape, this is usually the actual diameter of the circle. In the case of an ellipse, this is usually the length of the main axis of the ellipse. In general, the “focus diameter” usually denotes the largest diameter of the focus area. However, in a specific case, the “focus diameter” can also be, for example, the area of the focus area or another variable that provides information about the extent and / or shape, such as the mean value or root mean square value of the main axis and minor axis for ellipses and / or several values such as Example length of main axis and ratio of main axis to minor axis. It is only important that the focus diameter is a measure of how strong the deviation from a theoretically punctiform focus is.
Für eine besonders präzise Herstellung eines Gegenstandes mit vielen feinen Strukturen ist ein geringer Fokusdurchmesser vorteilhaft. Ferner genügt bei einem kleineren Fokusdurchmesser eine geringere Strahlungsleistung, um das Pulver zu schmelzen.A small focus diameter is advantageous for a particularly precise production of an object with many fine structures. Furthermore, with a smaller focus diameter, a lower radiation power is sufficient to melt the powder.
Ein großer Fokusdurchmesser kann hingegen größere Flächen schneller abrastern.A large focus diameter, on the other hand, can scan larger areas faster.
Da das eigentliche Abrastern des Baufeldes häufig mit einem Scannerspiegel erfolgt und der Scannerspiegel im Drehwinkel begrenzt ist, ist ferner ein großer Abstand vom Baufeld vorteilhaft, da dann das erreichbare Gebiet des Baufeldes größer ist. Somit können durch Inkaufnahme eines großen Fokusdurchmessers Vorteile erzielt werden.Since the actual scanning of the construction field is often carried out with a scanner mirror and the angle of rotation of the scanner mirror is limited, a large distance from the construction field is also advantageous, since the accessible area of the construction field is then larger. Thus, advantages can be achieved by accepting a large focus diameter.
Entsprechend gibt es gattungsgemäße Vorrichtungen mit kleinem Fokusdurchmesser und solche mit großem Fokusdurchmesser, da je nach Anwendung das eine gegenüber dem anderen Vorteile bietet.Accordingly, there are generic devices with a small focus diameter and those with a large focus diameter, since, depending on the application, one offers advantages over the other.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art oder ein zugehöriges Verfahren so auszugestalten, die/das den Anforderungen hinsichtlich Fokusdurchmesser von verschiedenen Anwendungen genügt.The present invention is based on the object of designing a device of the type mentioned at the beginning or an associated method in such a way that the requirements with regard to focus diameter of various applications are met.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder ein Verfahren gemäß Anspruch 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a device according to claim 1 and / or a method according to claim 14. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.
Der minimale Fokus einer optischen Einrichtung hängt im Wesentlichen von dem Abstand, der entsprechend der Brennweite einzustellen ist, der Fokussiereinrichtung zum Zielfeld ab, vorausgesetzt es steht eine ideale Strahlquelle mit optimalen Strahleigenschaften zur Verfügung (z.B. ein Laserstrahl mit einem Beugungsmaßzahl M2 =1) und idealer Wellenlänge. Je kürzer der Abstand desto kleiner der erreichbare Fokus. Bei geeigneter Wahl der optischen Komponenten ist es möglich das System für verschieden große Abstände zu fokussieren. Je Größer der Abstand umso größer der minimal einstellbare Fokus. Diese Eigenschaft soll in der erfindungsgemäß vorgeschlagenen AM-Maschine genutzt werden.The minimum focus of an optical device essentially depends on the distance, which is to be set according to the focal length, of the focusing device to the target field, provided that an ideal beam source with optimal beam properties is available (e.g. a laser beam with a diffraction index M 2 = 1) and ideal wavelength. The shorter the distance, the smaller the focus that can be achieved. With a suitable choice of the optical components, it is possible to focus the system for different large distances. The greater the distance, the greater the minimum adjustable focus. This property is intended to be used in the AM machine proposed according to the invention.
Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einer solchen Vorrichtung eine Brennweite, ein Fokus und/oder ein Fokusdurchmesser der Bestrahlungseinrichtung auf zwei verschiedene Arten verstellbar sind, bevorzugt eine Art mit geringer aber schneller Verstellung und die andere Art mit langsamerer aber großer Verstellung, insbesondere eine Art bevorzugt ausgelegt zur kleinen und schnellen Verstellung während der ortsselektiven Bestrahlung und die andere Art zur langsameren und größeren Verstellung, insbesondere vor einem Herstellungsprozess und/oder während des Herstellungsprozesses und/oder während einer Aktualisierung des Baufeldes.For this purpose, it is proposed according to the invention that, in such a device, a focal length, a focus and / or a focus diameter of the irradiation device can be adjusted in two different ways, preferably one type with a small but faster adjustment and the other type with a slower but larger adjustment, in particular one type preferably designed for small and fast adjustment during the site-selective irradiation and the other type for slower and larger adjustment, in particular before a manufacturing process and / or during the manufacturing process and / or during an update of the construction field.
Dadurch ist es möglich den für den aktuellen Herstellungsprozess idealen Fokus und/oder Fokusdurchmesser mittels der einen Art zu verstellen jeweils auf einen minimalen Wert einzustellen, während mittels der zweiten Art bevorzugt eine schnelle Feineinstellung erfolgt, um die geometrisch bedingt unterschiedlichen Weglängen von Bestrahlungseinrichtung zu verschiedenen Bereichen des Baufelds wie Mitte und Ecken zu kompensieren und zusätzlich um für bestimmte Scan-Geometrien nicht im kleinsten Fokus zu arbeiten. Dadurch können insbesondere nacheinander oder sogar innerhalb eines Prozesses in derselben Maschine Anwendungen mit verschiedenen Anforderungen an Brennweite, also minimalen Fokus durchgeführt werden, aber auch an einem Bauteil, wenn das Bauteil sehr filigrane Bereiche und gröbere Bereiche aufweist.This makes it possible to adjust the focus and / or focus diameter, which is ideal for the current manufacturing process, by means of one type in each case to a minimum value, while by means of the second type a quick fine adjustment is preferably carried out in order to accommodate the geometrically different path lengths from the irradiation device to different areas of the construction area such as the center and corners and, in addition, to not work in the smallest focus for certain scan geometries. As a result, applications with different requirements in terms of focal length, i.e. minimal focus, can be carried out one after the other or even within a process in the same machine, but also on a component if the component has very filigree areas and coarser areas.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird in jeder veränderten Brennweitenposition der minimale einstellbare Fokus durch eine sehr schnell dynamisch bewegliche Linse entsprechend der zweiten Art in einem bestimmten Weglängenbereich konstant gehalten werden, um z.B. für ein Scansystem den Fokus in einer Ebene konstant zu halten. Durch Positionsänderung dieser „schnellen Linse“ kann aber auch defokussiert in diese Ebene abgebildet werden.In preferred embodiments, in each changed focal length position, the minimum adjustable focus is kept constant in a certain path length range by a very rapidly dynamically movable lens according to the second type, in order to keep the focus constant in one plane, for example for a scanning system. By changing the position of this “fast lens”, however, it can also be defocused in this plane.
Dies kann genutzt werden, um in einigen Bereichen den Energieeintrag bzw. die Erhitzung zu verringern durch geringfügiges Defokussieren und/oder um Übergänge zwischen unterschiedlichen Verfestigungsbereichen, insbesondere Bereichen mit und ohne Verfestigung schärfer oder weniger scharf zu machen.This can be used to reduce the energy input or the heating in some areas through slight defocusing and / or to make transitions between different ones Solidification areas, in particular areas with and without solidification to make sharper or less sharp.
Beispielsweise kann es vorteilhaft, die Umrandung eines zu verfestigenden Bereiches mit etwas höherem Energieeintrag zuerst abzufahren. Dadurch wird die Grenze schärfer definiert und da der innerhalb und außerhalb der Umwandung noch unverfestigtes Pulver ist, kann die größere Wärme auch besser abgeführt werden. Bei der Verfestigung des inneren der Umrandung ist dann eine leichte Defokussierung oft vorteilhaft, beispielsweise weil so die durch die bereits existierende Umrandung geringere Wärmeableitfähigkeit kompensiert wird und/oder weil so größere Flächen erfasst werden und somit die Innenfläche schneller verfestigt werden kann.For example, it can be advantageous to first move around the border of an area to be consolidated with a somewhat higher energy input. As a result, the boundary is more sharply defined and since the powder is still not solidified inside and outside the wall, the greater heat can also be better dissipated. When solidifying the inner edge of the border, a slight defocusing is often advantageous, for example because the lower heat dissipation capacity due to the existing border is compensated for and / or because larger areas can be covered and the inner surface can be solidified more quickly.
Zur Verstellung des minimal möglichen Fokusdurchmessers ist es ausreichend, die Brennweite des optischen Systems zu verstellen.To adjust the minimum possible focus diameter, it is sufficient to adjust the focal length of the optical system.
Unter „Baufeld“ ist bevorzugt die obere Fläche der zuletzt präparierten Werkstoffpulverschicht zu verstehen, denn dort findet der durch den Fokus definierte Hitzeeintrag zum Aufschmelzen des verwendeten Metall-, oder-Kunstoffpulvers statt, also das „Bauen“ bzw. Aufbauen des herzustellenden Gegenstandes.The term “construction area” is preferably to be understood as the upper surface of the last prepared material powder layer, because this is where the heat input defined by the focus takes place to melt the metal or plastic powder used, i.e. the “building” or assembly of the object to be manufactured.
Dabei kann beispielsweise die Verstellung der Länge des Strahlweges zu dem Baufeld hin in einem geringen Maße durch Bewegung der Basisplattenanordnung erfolgen. Alternativ könnte auch das ganze Bauvolumengehäuse bewegt werden.For example, the length of the beam path towards the construction field can be adjusted to a small extent by moving the base plate arrangement. Alternatively, the entire construction volume housing could also be moved.
Bevorzugt ist eine Länge eines Strahlweges und/oder eines Abstandes von einem letzten optischen Element der Bestrahlungseinrichtung und/oder einer Strahlungsquelle der Bestrahlungseinrichtung zu dem Baufeld, der Basisplattenanordnung, dem Prozessraumgehäuse und/oder dem Bauvolumengehäuse verstellbar, insbesondere ohne Verstellung von Basisplattenanordnung, Prozessraumgehäuse und/oder Bauvolumengehäuse.A length of a beam path and / or a distance from a last optical element of the irradiation device and / or a radiation source of the irradiation device to the construction field, the base plate arrangement, the process space housing and / or the volume housing is preferably adjustable, in particular without adjusting the base plate arrangement, process space housing and / or build volume housing.
Eine solche Verstellung erfolgt bevorzugt durch eine bewegliche Lagerung und eine Bewegung mittels eines Antriebs. Dadurch kann der Abstand auch kurzfristig und während eines Herstellungsprozesses verstellt werden.Such an adjustment is preferably carried out by a movable mounting and a movement by means of a drive. As a result, the distance can also be adjusted at short notice and during a manufacturing process.
Aber es kann in einigen Ausführungsformen auch vorgesehen sein, dass entsprechende Elemente in verschiedenen Höhen über dem Baufeld lösbar befestigt sind. Für einen neuen Herstellungsprozess sind ohnehin das Baufeld und das Prozessraumgehäuse und andere Komponenten zu warten bzw. für den nächsten Prozess einzurichten. Dabei kann auch eine entsprechende lösbare Verbindung gelöst werden, der gewünschte Abstand eingestellt werden und anschließend eine neue Verbindung hergestellt werden. Dies erlaubt eine einfachere Konstruktion und den Verzicht auf entsprechende Antriebs- und Lagerungsmittel.However, in some embodiments it can also be provided that corresponding elements are releasably fastened at different heights above the construction field. For a new manufacturing process, the construction field and the process room housing and other components have to be serviced or set up for the next process. A corresponding detachable connection can also be released, the desired distance can be set and then a new connection can be established. This allows a simpler construction and the elimination of corresponding drive and storage means.
Bevorzugt ist insbesondere die Länge eines Strahlweges von bzw. ein Abstand zwischen einem Fokus und/oder Brennweite beeinflussendem Element, wie beispielsweise einer Linse, einem Linsensystem und/oder einem Optikmodul, und dem Baufeld verstellbar.In particular, the length of a beam path from or a distance between an element influencing the focus and / or focal length, such as a lens, a lens system and / or an optics module, and the construction field is preferably adjustable.
Denn in einigen Ausführungsformen hat das letzte optische Element keine Auswirkungen auf die Brennweite, so dass nicht unbedingt der Abstand zwischen letztem optischen Element und Baufeld entscheidend ist, sondern Abstand bzw. Länge des Strahlweges von dem letzten die Brennweite beeinflussenden Element. Bevorzugt ist folglich in einigen Ausführungsformen somit Abstand und/oder Länge des Strahlweges zwischen dem letzten die Brennweite beeinflussenden Element und dem Baufeld verstellbar.Because in some embodiments the last optical element has no effect on the focal length, so that the distance between the last optical element and the construction field is not necessarily decisive, but the distance or length of the beam path from the last element influencing the focal length. In some embodiments, the distance and / or length of the beam path between the last element influencing the focal length and the construction field is consequently preferably adjustable.
Unter einem „optischen Element“ ist hierbei ein Element zu verstehen, dass nicht einfach nur die Strahlung passieren lässt, sondern in irgendeiner anderen Weise beeinflusst, beispielsweise bricht, reflektiert, fokussiert, zerstreut oder ähnliches. Das „letzte optische Element“ kennzeichnet damit das letzte Element der Bestrahlungseinrichtung, das beeinflusst, wie und in welcher Richtung die Strahlung die Bestrahlungseinrichtung in Richtung Baufeld verlässt.An “optical element” is to be understood here as an element that does not simply allow the radiation to pass, but influences it in some other way, for example refracts, reflects, focuses, diffuses or the like. The “last optical element” thus identifies the last element of the irradiation device, which influences how and in which direction the radiation leaves the irradiation device in the direction of the construction field.
Bevorzugt befinden sich zwischen letzten optischen Element der Bestrahlungseinrichtung und dem Baufeld keine weiteren optischen Elemente, sondern höchstens die Strahlung nicht, nur wenig oder wenigstens in nicht verstellbarer Weise beeinflussende Fenster und/oder Scheiben und ähnliches. Beispielsweise könnte noch ein Fenster und/oder Scheibe vorgesehen sein, wodurch die Strahlung noch in bekannter und ggf. vom Ort abhängige Weise gebrochen wird. Bevorzugt sind aber beispielsweise Fenster und/oder Scheiben, die die Strahlung nahezu ungehindert und unbeeinflusst passieren lassen.Preferably, there are no further optical elements between the last optical element of the irradiation device and the construction field, but at most windows and / or panes and the like that do not influence the radiation, or only slightly or at least in a non-adjustable manner. For example, a window and / or pane could also be provided, as a result of which the radiation is refracted in a known and possibly location-dependent manner. However, windows and / or panes, for example, which allow the radiation to pass through virtually unhindered and unaffected, are preferred.
Durch eine passende Verstellung des Strahlweges kann in Kombination mit der Verstellung der Brennweite oder des Fokus der Fokusdurchmesser flexibel auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Dabei sind ggf. durch die Eigenschaften der Bestrahlungseinrichtung und/oder des möglichen Verstellbereiches des Strahlweges Grenzen für maximalen und minimalen Fokusdurchmesser gegeben.By adjusting the beam path appropriately, in combination with adjusting the focal length or focus, the focus diameter can be flexibly set to the desired value. In this case, limits for maximum and minimum focus diameter may be given by the properties of the irradiation device and / or the possible adjustment range of the beam path.
Bevorzugt ist oder umfasst das letzte optische Element mindestens ein Spiegel, insbesondere ein Umlenkspiegel und/oder ein Scannerspiegel, der bevorzugt so dreh- und/oder kippbar gelagert und gesteuert bewegbar ist, dass die Strahlung auf einen großen Bereich, bevorzugt auf jeden Punkt des Baufeldes gerichtet werden kann. Das letzte optische Element kann aber auch mehrere bewegliche Spiegel umfassen, die durch Zusammenwirken eine Ausrichtung der Strahlung auf einen großen Bereich des Baufeldes erlauben. Beispielsweise kann das letzte optische Element zwei Scannerspiegel umfassen, durch die jeweils die Auslenkung der Strahlung in eine Raumrichtung einstellbar ist, wobei die beiden Raumrichtungen zueinander orthogonal sind.The last optical element is preferably or comprises at least one mirror, in particular a deflecting mirror and / or a scanner mirror, which is preferably mounted so that it can be rotated and / or tilted and can be moved in a controlled manner that the radiation can be directed onto a large area, preferably onto any point of the construction site. The last optical element can, however, also comprise a plurality of movable mirrors which, through interaction, allow the radiation to be aligned over a large area of the construction field. For example, the last optical element can comprise two scanner mirrors, by means of which the deflection of the radiation can be adjusted in one spatial direction, the two spatial directions being orthogonal to one another.
Solche Spiegel erlauben ein relativ schnelles Führen des Strahles und damit des Fokus und damit des Ortes der größten Wärmezufuhr über das gesamte Baufeld, womit komplexe Strukturen relativ schnell aufgebaut werden können.Such mirrors allow the beam and thus the focus and thus the location of the greatest heat input to be guided relatively quickly over the entire construction field, so that complex structures can be built up relatively quickly.
Eine Alternative ist es, das letzte optische Element im Wesentlichen in der Ebene parallel zum Baufeld zu verschieben. Hierbei kommt auch in Frage, die gesamte Bestrahlungseinrichtung parallel zum Baufeld zu verschieben.An alternative is to move the last optical element essentially in the plane parallel to the construction field. It is also possible to move the entire irradiation device parallel to the construction field.
Dadurch kann zwar auch ein großer Bereich oder gar jeder Ort des Baufeldes mit Strahlung erreicht werden, aber im Allgemeinen ist dies langsamer als die Ausführung mit kipp- und drehbaren Scannerspiegeln.As a result, a large area or even every location of the construction site can be reached with radiation, but this is generally slower than the version with tiltable and rotatable scanner mirrors.
Bevorzugt ist das letzte optische Element senkrecht zum Baufeld verschiebbar, insbesondere mittels eines Linearantriebs.The last optical element can preferably be displaced perpendicular to the construction field, in particular by means of a linear drive.
Dies stellt eine technisch einfache Lösung zur Verstellung der Strahlweges und/oder des Abstandes zum Baufeld dar.This represents a technically simple solution for adjusting the beam path and / or the distance to the construction field.
Alternativ oder zusätzlich können aber auch andere Elemente der Bestrahlungseinrichtung verschiebbar ausgebildet sein in Bezug auf das Baufeld und/oder die optische Achse. Hierfür kommen beispielsweise die Strahlungsquelle oder Umlenkspiegel in Frage. Durch eine Verschiebung von solchen Elementen entlang der optischen Achse und/oder senkrecht zum Baufeld kann ebenfalls die Länge des Strahlweges beeinflusst werden.Alternatively or additionally, however, other elements of the irradiation device can also be designed to be displaceable with respect to the construction field and / or the optical axis. For example, the radiation source or deflection mirror can be used for this. The length of the beam path can also be influenced by shifting such elements along the optical axis and / or perpendicular to the construction field.
„Optische Achse“ ist hierbei zwar auch im üblichen Sinne der Optik also als Symmetrieachse eines rotationssymmetrischen optischen Systems zu verstehen. Dies betrifft insbesondere Ausführungsformen in denen es einen geraden Strahlweg von der Strahlungsquelle zum letzten optischen Element gibt. In diesen Fällen ist die optische Achse die Symmetrieachse des optischen Systems beginnend ab Ausgang der Strahlungsquelle (die Strahlungsquelle ist nicht zwingend rotationssymmetrisch ausgebildet).“Optical axis” is here to be understood in the usual sense of optics as the axis of symmetry of a rotationally symmetrical optical system. This applies in particular to embodiments in which there is a straight beam path from the radiation source to the last optical element. In these cases, the optical axis is the axis of symmetry of the optical system starting from the exit of the radiation source (the radiation source is not necessarily designed to be rotationally symmetrical).
Allerdings gibt es auch Ausführungsvarianten, bei denen der Strahlungsweg von der Strahlungsquelle zu einem Umlenkspiegel geht und von dort aus zu weiteren Umlenkspiegeln und/oder zum letzten optischen Element.However, there are also design variants in which the radiation path goes from the radiation source to a deflecting mirror and from there to further deflecting mirrors and / or to the last optical element.
In diesem Fall gibt es im üblichen Sinne der Optik dann bevorzugt mehrere zueinander gewinkelte optische Achsen, denn ein jeweiliger Abschnitt zwischen Strahlungsquelle, Umlenkspiegeln und/oder letzten optischen Element ist bevorzugt lokal rotationssymmetrisch ausgebildet. Beispielsweise indem innerhalb eines Abschnitts nur rotationssymmetrische Elemente angeordnet sind.In this case, in the usual optics sense, there are preferably several optical axes angled to one another, because a respective section between the radiation source, deflection mirrors and / or the last optical element is preferably locally rotationally symmetrical. For example, in that only rotationally symmetrical elements are arranged within a section.
Aber vereinfacht ist im Rahmen der Erfindung mit dem Begriff „optische Achse“ die Gesamtheit der so gewinkelt aneinander angefügten optischen Achsen im Sinne der Optik zu verstehen, die gemeinsam den Strahlweg innerhalb der Bestrahlungseinrichtung ausbilden.In simplified terms, however, within the scope of the invention, the term “optical axis” is to be understood as the entirety of the optical axes joined to one another at an angle in the sense of optics, which together form the beam path within the irradiation device.
Ferner umfasst im Rahmen der Erfindung der Begriff „optische Achse“ auch die Linie, bei der ein auf dieser Linie laufender Strahl die Mitte des Fokusbereichs und/oder des Brennbereichs treffen würde. Diese Begriffsbedeutung ist vor allem relevant bei Systemen, die keinen kreisförmigen Fokusbereich erzeugen, sondern beispielsweise einen elliptischen. Entsprechend ist in Ausführungsformen mit nicht rotationssymmetrischen optischen Systemen unter „optische Achse“ die Linie zu verstehen, bei der ein auf dieser Linie laufender Strahl die Mitte des Fokusbereichs und/oder des Brennbereichs treffen würde.Furthermore, within the scope of the invention, the term “optical axis” also includes the line in which a beam traveling on this line would hit the center of the focus area and / or the focal area. This conceptual meaning is particularly relevant for systems that do not generate a circular focus area, but an elliptical one, for example. Correspondingly, in embodiments with non-rotationally symmetrical optical systems, “optical axis” is to be understood as the line in which a beam traveling on this line would hit the center of the focal area and / or the focal area.
In einigen Ausführungsformen, insbesondere denen ohne Scannerspiegel, ist bevorzugt das letzte optische Element auch in allen Richtungen parallel zum Baufeld verschiebbar, bevorzugt durch zwei miteinander gekoppelte, zueinander orthogonal ausgerichtete und zum Baufeld parallel ausgerichtete Linearantriebe.In some embodiments, in particular those without a scanner mirror, the last optical element is preferably also displaceable in all directions parallel to the construction field, preferably by two linear drives coupled to one another, aligned orthogonally to one another and aligned parallel to the construction field.
Dies erlaubt eine besonders präzise Rasterung des Baufeldes.This allows a particularly precise grid of the construction area.
Bevorzugt ist das Prozessraumgehäuse oberseitig durch eine für die Strahlung der Bestrahlungseinrichtung durchlässige Scheibe und/oder Fenster abgeschlossen und/oder abgedichtet, wobei bevorzugt die Bestrahlungseinrichtung zumindest teilweise oberhalb des Prozessraumgehäuses angeordnet ist, bevorzugt vollständig oberhalb des Prozessraumgehäuses. Bevorzugt ist das letzte optische Element der Bestrahlungseinrichtung oberhalb des Prozessraumgehäuses angeordnet.The process chamber housing is preferably closed and / or sealed on the top by a pane and / or window permeable to the radiation of the irradiation device, the irradiation device preferably being arranged at least partially above the process chamber housing, preferably completely above the process chamber housing. The last optical element of the irradiation device is preferably arranged above the process chamber housing.
Dadurch ist eine Bewegung und/oder eine Verstellung von Elementen der Bestrahlungseinrichtung oder auch der ganzen Bestrahlungseinrichtung leichter möglich, denn einerseits ist eine Kollision mit im Inneren des Prozessraumgehäuses bewegten Elementen ausgeschlossen und andererseits wird vermieden, dass die Bestrahlungseinrichtung innerhalb des abgedichteten Hohlraumes bewegt werden muss, was eine kompliziertere Verbindung zu Antriebsmittel/-motoren erforderlich machen könnte.As a result, elements of the irradiation device or the entire irradiation device can be moved and / or adjusted This is easier because, on the one hand, a collision with elements moving inside the process chamber housing is ruled out and, on the other hand, it is avoided that the irradiation device has to be moved within the sealed cavity, which could require a more complicated connection to the drive means / motors.
Bevorzugt umfasst die Bestrahlungseinrichtung ein Optikmodul mit mindestens einer Fokuslinse und/oder mindestens einem Linsensystem, wobei das Optikmodul als ganzes und/oder die mindestens eine Fokuslinse bzw. das Linsensystem entlang einer optischen Achse beweglich ist zur Verstellung der Brennweite und/oder des der Bestrahlungseinrichtung, wobei die mindestens eine Fokuslinse bzw. das Linsensystem bevorzugt als mehrere relativ zueinander feste Fokuslinsen ausgebildet ist.The irradiation device preferably comprises an optics module with at least one focus lens and / or at least one lens system, the optics module as a whole and / or the at least one focus lens or the lens system being movable along an optical axis in order to adjust the focal length and / or that of the irradiation device, wherein the at least one focus lens or the lens system is preferably designed as a plurality of focus lenses that are fixed relative to one another.
Durch Verschiebung des Optikmoduls entlang der optischen Achse ändert sich die Länge des Strahlweges von der Strahlungsquelle zum Optikmodul und vom Optikmodul zum Baufeld. Dies beeinflusst wie weit hinter dem letzten optischen Element der Fokus bzw. die Brennweite der Bestrahlungseinrichtung ist und wie groß oder klein der mögliche Fokusdurchmesser ist. Erfolgt zusätzlich eine passende Verstellung des Abstandes/Strahlweges zwischen letztem optischen Element und Baufeld, kann damit der Fokusdurchmesser auf einen gewünschten Wert eingestellt werden und liegt genau im oder auf dem Baufeld.Moving the optics module along the optical axis changes the length of the beam path from the radiation source to the optics module and from the optics module to the construction field. This influences how far behind the last optical element the focus or the focal length of the irradiation device is and how large or small the possible focus diameter is. If the distance / beam path between the last optical element and the construction field is also adjusted appropriately, the focus diameter can be set to a desired value and lies exactly in or on the construction field.
Bevorzugt umfasst das Optikmodul neben der Fokuslinse noch eine entlang einer optischen Achse und relativ zu der mindestens einen Fokuslinse beweglichen Feinfokussierlinse zur schnellen Fein-Verstellung der Brennweite und/oder des Fokus und/oder des Fokusdurchmessers der Bestrahlungseinrichtung, um die geometrisch bedingt leicht unterschiedliche Strahlweglängen abhängig von der Position auf dem Baufeld zu kompensieren und evtl. bestimmte zu scannende Geometrien mit einem leicht größerem Fokus zu scannen als minimal einstellbarem.In addition to the focus lens, the optics module preferably also comprises a fine focus lens movable along an optical axis and relative to the at least one focus lens for quick fine adjustment of the focal length and / or the focus and / or the focus diameter of the irradiation device, depending on the geometrically slightly different beam path lengths to compensate for the position on the construction field and possibly to scan certain geometries to be scanned with a slightly larger focus than the minimum adjustable.
Dadurch können technisch einfach die zwei verschiedenen Arten zur Verstellung von Brennweite, Fokus und/oder Fokusdurchmesser realisiert werden.As a result, the two different ways of adjusting the focal length, focus and / or focus diameter can be implemented in a technically simple manner.
Hierbei kommen grundsätzlich sowohl konvexe als auch konkave als auch andersartige Linsen und Kombinationen von mehreren verschiedenen Linsen für alle Linsen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Frage. Insbesondere muss die Fokussierlinse auch keine konvexe Linse sein. Sie kann beispielsweise auch eine Kombination aus mehreren Linsen sein oder auch eine konvexe Linse, die in Kombination mit weiteren Linsen und/oder dem Linsensystem zu einer Fokussierung der Strahlung führt.In principle, both convex and concave lenses, as well as lenses of other types, and combinations of several different lenses for all lenses of a device according to the invention are possible. In particular, the focusing lens does not have to be a convex lens either. It can, for example, also be a combination of several lenses or also a convex lens which, in combination with further lenses and / or the lens system, leads to a focusing of the radiation.
In einer möglichen Ausführungsform ist bevorzugt das Optikmodul mit dem letzten optischen Element zur gemeinsamen Bewegung so gekoppelt und/oder für sich separat so beweglich ansteuerbar, dass die relative Position von Optikmodul zu letztem optischen Element gleich bleibt bzw. gleich gehalten werden kann, wenn die Länge des Strahlweges und/oder des Abstandes zwischen einerseits letztem optischen Element und/oder der Strahlungsquelle und andererseits dem Baufeld verstellt wird, wobei bevorzugt der Strahlweg von einem Strahlausgang des Optikmoduls zu dem letzten optischen Element parallel zum Baufeld, bevorzugt entlang einer geraden Linie, verläuft.In one possible embodiment, the optical module is preferably coupled to the last optical element for joint movement and / or separately controllable so movably that the relative position of the optical module to the last optical element remains the same or can be kept the same if the length the beam path and / or the distance between on the one hand the last optical element and / or the radiation source and on the other hand the construction field is adjusted, the beam path preferably running from a beam exit of the optical module to the last optical element parallel to the construction field, preferably along a straight line.
Dadurch kann mechanisch sichergestellt werden, dass jegliche Verstellung des Abstandes zwischen letztem optischen Element und dem Baufeld eine Veränderung der Länge des Strahlweges darstellt, womit sichergestellt ist, dass komplementär zu einer Änderung der Brennweite und/oder des Fokus die Länge des Strahlweges hin zum Baufeld so veränderbar ist, dass Brennweite bzw. Fokus genau im Baufeld liegen.This mechanically ensures that any adjustment of the distance between the last optical element and the construction field represents a change in the length of the beam path, which ensures that the length of the beam path towards the construction field is complementary to a change in the focal length and / or the focus it can be changed that the focal length or focus lie exactly in the construction field.
Bevorzugt sind das Optikmodul und das letzte optische Element in oder an einem Strahlungsgehäuse angeordnet, wobei das Strahlungsgehäuse senkrecht zum Baufeld bewegbar ist, um die Länge des Strahlwegs zwischen letzten optischen Element und Baufeld zu verstellen. Dies kann bevorzugt durch einen Linearantrieb erfolgen.The optics module and the last optical element are preferably arranged in or on a radiation housing, the radiation housing being movable perpendicular to the construction field in order to adjust the length of the beam path between the last optical element and the construction field. This can preferably be done by a linear drive.
Damit ist technisch die Verstellung des Abstandes und/oder der Länge des Strahlweges einfach realisierbar.In this way, the adjustment of the distance and / or the length of the beam path is technically easy to implement.
In einer anderen möglichen Ausführungsform ist das Optikmodul nicht mit dem letzten optischen Element zur gemeinsamen Bewegung gekoppelt, so dass sich die relative Position von Optikmodul zu letztem optischen Element verändert, wenn die Länge des Strahlwegs zwischen letztem optischen Element und Baufeld verstellt wird.In another possible embodiment, the optical module is not coupled to the last optical element for joint movement, so that the relative position of the optical module to the last optical element changes when the length of the beam path between the last optical element and the construction field is adjusted.
Dies kann vorteilhaft sein, da das Optikmodul meist bewegliche Linsen und/oder ein Linsensystem umfasst. Deren präzise Positionierung und damit die Genauigkeit der Strahlführung und -fokussierung ist eher gewährleistet, wenn das Optikmodul weniger oft und/oder weniger weit bewegt wird. Weshalb eine Entkoppelung vom letzten optischen Element sinnvoll sein kann, wenn dieses oft und/oder weit bewegt wird.This can be advantageous since the optics module mostly comprises movable lenses and / or a lens system. Their precise positioning and thus the accuracy of the beam guidance and focusing is more likely to be guaranteed if the optics module is moved less often and / or less far. Why decoupling from the last optical element can be useful if it is moved often and / or far.
Bevorzugt sind bei dieser Ausführungsform das letzte optische Element und ein Umlenkspiegel in oder an einem Strahlungsgehäuse angeordnet, wobei der Strahlweg von einem Strahlausgang des Optikmoduls zu dem letzten optischen Element über den Umlenkspiegel und bevorzugt weitere insbesondere relativ zum Optikmodul bewegbare Umlenkspiegel verläuft.In this embodiment, the last optical element and a deflecting mirror are preferred or arranged on a radiation housing, the beam path running from a beam exit of the optics module to the last optical element via the deflecting mirror and preferably further deflecting mirrors, in particular movable relative to the optics module.
Damit kann dann der Strahlweg von dem letzten optischen Element der Bestrahlungseinrichtung zu dem Baufeld und/oder von dem Strahlausgang des Optikmoduls zu dem Baufeld verstellt werden ohne das Optikmodul zu bewegen. Zur entsprechenden Anpassung des Fokus muss dann das Optikmodul nur noch wenig bewegt werden, womit das Optikmodul insgesamt weniger bewegt wird.The beam path can then be adjusted from the last optical element of the irradiation device to the construction field and / or from the beam exit of the optical module to the construction field without moving the optical module. In order to adjust the focus accordingly, the optics module then only has to be moved a little, with the result that the optics module is moved less overall.
Dies Variante ist somit meist optimaler hinsichtlich der Lebensdauer bzw. der Präzision des Optikmoduls und/oder andere komplexer optischer Elemente.This variant is therefore usually more optimal with regard to the service life or the precision of the optical module and / or other complex optical elements.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Datenverarbeitungseinheit, einen Prozessor und/oder eine Steuereinheit, die ausgelegt und/oder eingerichtet sind, bei Verstellung der Brennweite und/oder des Fokus und/oder des Fokusdurchmessers den Strahlweg und/oder den Abstand insbesondere zwischen letztem optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Element und Baufläche dazu korrespondierend zu verstellen, so dass ein Brennpunkt und/oder eine Brennebene auf, in und/oder am Baufeld liegt; und/oder
bei Verstellung des Strahlweges und/oder des Abstandes insbesondere zwischen letztem optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Element und Baufläche die Brennweite und/oder den Fokus und/oder den Fokusdurchmesser dazu korrespondierend zu verstehen, so dass ein Brennpunkt und/oder eine Brennebene auf, in und/oder am Baufeld liegt; und/oder
basierend auf eingegebenen, eingespeisten und/oder übermittelten Informationen hinsichtlich des herzustellenden Gegenstandes Brennweite und/oder Fokus und/oder Fokusdurchmesser und korrespondierend dazu den Strahlweg und/oder den Abstand insbesondere zwischen letztem optischen Element und Baufläche auszuwählen und einzustellen.The device preferably comprises a data processing unit, a processor and / or a control unit which are designed and / or set up to adjust the beam path and / or the distance in particular between the last optical and / or the focus diameter when adjusting the focal length and / or the focus and / or the focus diameter. or to adjust the focal length influencing element and construction area accordingly so that a focal point and / or a focal plane lies on, in and / or on the construction field; and or
when adjusting the beam path and / or the distance, in particular between the last optical element and / or the element influencing the focal length and the construction surface, the focal length and / or the focus and / or the focus diameter are to be understood as corresponding, so that a focal point and / or a focal plane is in and / or on the construction site; and or
based on entered, fed in and / or transmitted information regarding the object to be manufactured focal length and / or focus and / or focus diameter and correspondingly to select and set the beam path and / or the distance in particular between the last optical element and the construction area.
Dies erleichtert die Bedienung einer solchen Vorrichtung und stellt sicher, dass Brennebene und/oder Fokusdurchmesser selbst bei Verstellung nahe an oder in dem Baufeld sind.This simplifies the operation of such a device and ensures that the focal plane and / or focus diameter are close to or in the construction field even when adjusted.
Bevorzugt sind bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen der Fokus und/oder der Fokusdurchmesser zwischen 1 µm und 1000 µm verstellbar, bevorzugt zwischen 15 µm und 250 µm. Besonders bevorzugt sind die Länge der Strahlweges von einem letzten optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Element der Bestrahlungseinrichtung zu dem Baufeld und/oder der Abstand zwischen letztem Element und Baufeld zwischen 10 mm und 3000 mm verstellbar, insbesondere zwischen 200 mm und 1000 mm.In devices according to the invention, the focus and / or the focus diameter are preferably adjustable between 1 μm and 1000 μm, preferably between 15 μm and 250 μm. The length of the beam path from a last optical element and / or the focal length influencing element of the irradiation device to the construction field and / or the distance between the last element and construction field can be adjusted between 10 mm and 3000 mm, in particular between 200 mm and 1000 mm.
Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das Optikmodul so ausgelegt, dass die Feinfokussierlinse bis zu 10 mm entlang der einlaufenden optischen Achse (Achse Richtung x-Spiegel Scanner) bewegbar ist. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das Optikmodul so ausgelegt, dass das Optikmodul, die mindestens eine Fokuslinse und/oder das Linsensystem mehr als 5 mm entlang der optischen Achse bewegbar sind, bevorzugt 20 bis 100 mm.The device according to the invention and / or the optics module is preferably designed in such a way that the fine focusing lens can be moved up to 10 mm along the incoming optical axis (axis in the direction of the x-mirror scanner). The device according to the invention and / or the optics module is preferably designed such that the optics module, the at least one focus lens and / or the lens system can be moved more than 5 mm along the optical axis, preferably 20 to 100 mm.
Damit sind ein Großteil der in der Praxis erforderlichen Werte einstellbar.This means that most of the values required in practice can be set.
Alternativ oder zusätzlich kann in allen Ausführungsformen auch die Verschiebung des Optikmoduls und/oder der mindestens einen Fokuslinse durch eine Verschiebung bzw. eine Verschiebbarkeit der Strahlungsquelle ersetzt und/oder ergänzt werden. Jedoch ist die Bewegung des Optikmoduls technisch meist einfacher als die Bewegung der Strahlungsquelle.As an alternative or in addition, the displacement of the optical module and / or the at least one focus lens can also be replaced and / or supplemented by a displacement or displaceability of the radiation source in all embodiments. However, the movement of the optics module is technically usually simpler than the movement of the radiation source.
Bevorzugt befindet sich abschnittsweise zwischen Strahlungsquelle und dem letzten optischen Element ein Glasfaserkabel zur Führung der Strahlung, besonders bevorzugt zwischen Strahlungsquelle und dem Optikmodul.A glass fiber cable for guiding the radiation is preferably located in sections between the radiation source and the last optical element, particularly preferably between the radiation source and the optics module.
Besonders bevorzugt erstreckt sich das Glasfaserkabel von der Strahlungsquelle bis zu einer Position, die der Höhe des letzten optischen Elements und/oder des Optikmoduls über dem Baufeld entspricht, so dass die Strahlung aus dem Ausgang des Glasfaserkabels entlang der optischen Achse parallel zur Baufläche zum letzten optischen Element und/oder Optikmodul verläuft.Particularly preferably, the fiber optic cable extends from the radiation source to a position that corresponds to the height of the last optical element and / or the optical module above the construction field, so that the radiation from the output of the fiber optic cable along the optical axis parallel to the construction area to the last optical Element and / or optics module runs.
Besonders bevorzugt ist die Länge und Halterung des Glasfaserkabels so ausgelegt und/oder ermöglicht so viel Spiel, dass bei Verstellung des Abstandes des letzten optischen Elements und/oder des Optikmoduls zum Baufeld das Glasfaserkabel mit nach oben oder unten bewegbar ist und die Strahlung das Glasfaserkabel weiter auf Höhe des letzten optischen Elements und/oder des Optikmoduls parallel zum Baufeld verlässt.Particularly preferably, the length and mounting of the fiber optic cable is designed and / or allows so much play that when adjusting the distance of the last optical element and / or the optical module to the construction field, the fiber optic cable can be moved up or down and the radiation can move the fiber optic cable further at the level of the last optical element and / or the optical module parallel to the construction field.
Dadurch lassen sich komplexe Spiegelkonstruktionen zum höhenverstellbaren Umlenken der Strahlung auf das Optikmodul bzw. letzte optische Element vermeiden.As a result, complex mirror constructions for the height-adjustable deflection of the radiation onto the optical module or the last optical element can be avoided.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit verstellbarem Strahlweg bzw. Abstand umfasst mindestens die folgenden Schritte:
- Verstellen der Brennweite und/oder des Fokus und/oder des Fokusdurchmessers der Bestrahlungseinrichtung; und dazu korrespondierende Verstellung des Strahlweges von dem letzten optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Element der Bestrahlungseinrichtung zu dem Baufeld und/oder des Abstandes des letzten optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Elements zu dem Baufeld, so dass ein Brennpunkt und/oder eine Brennebene auf, in und/oder am Baufeld liegt;
und/oder die folgenden Schritte:
- Verstellen des Strahlweges von dem letzten optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Element der Bestrahlungseinrichtung zu dem Baufeld und/oder des Abstandes des letzten optischen und/oder die Brennweite beeinflussenden Elements zu dem Baufeld; und dazu korrespondierende Verstellung der Brennweite und/oder des Fokus und/oder des Fokusdurchmessers der Bestrahlungseinrichtung, so dass ein Brennpunkt und/oder eine Brennebene auf, in und/oder am Baufeld liegt.
- Adjusting the focal length and / or the focus and / or the focus diameter of the irradiation device; and corresponding adjustment of the beam path from the last optical and / or the focal length influencing element of the irradiation device to the construction field and / or the distance of the last optical and / or the focal length influencing element to the construction field, so that a focal point and / or a focal plane is on, in and / or on the construction site; and / or the following steps:
- Adjustment of the beam path from the last optical and / or the focal length influencing element of the irradiation device to the construction field and / or the distance of the last optical and / or the focal length influencing element to the construction field; and corresponding adjustment of the focal length and / or the focus and / or the focus diameter of the irradiation device, so that a focal point and / or a focal plane lies on, in and / or on the construction field.
Dadurch ist sichergestellt, dass Brennebene und/oder Fokusdurchmesser selbst bei Verstellung nahe an oder in dem Baufeld sind.This ensures that the focal plane and / or focus diameter are close to or in the construction field even when adjusted.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten
-
1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einem Zustand mit großem Abstand zwischen letztem optischen Element und der Baufläche und mit großem Fokusdurchmesser. -
2 zeigt in einer ebenso schematischen Schnittdarstellung die Vorrichtung aus1 mit einem anders eingestellten Strahlweg/Abstand und anders eingestelltem Fokusdurchmesser. -
3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen prinzipiellen Aufbau einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen in einem Zustand mit großem Abstand zwischen letztem optischen Element und der Baufläche und mit großem Fokusdurchmesser. -
4 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen prinzipiellen Aufbau einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung ähnlich zu1 unter Verwendung eines Glasfaserkabels.
-
1 shows in a schematic sectional view a basic structure of a device according to the invention for the production of objects in a state with a large distance between the last optical element and the construction area and with a large focus diameter. -
2 shows the device from FIG1 with a differently set beam path / distance and a differently set focus diameter. -
3 shows in a schematic sectional view a basic structure of a further device according to the invention for the production of objects in a state with a large distance between the last optical element and the construction area and with a large focus diameter. -
4th shows in a schematic sectional illustration a basic structure of a further device according to the invention similar to FIG1 using a fiber optic cable.
Mit
Die Schutzgasversorgungseinrichtung umfasst vorzugsweise Schutzgaseinleitungsmittel zur Einleitung von Schutzgas, z. B. Argon, in den Brennraum
An einem Gehäuseteil der Vorrichtung ist ein Bauvolumengehäuse
Das oberhalb der Basisplattenanordnung
Die Basisplattenanordnung
Eine solche Anordnung aus Basisplattenanordnung
Auf der Basisplattenanordnung
In der Basisplattenanordnung
Zu Beginn eines Bauprozesses gemäß
Die das Baufeld
Nach dem Bestrahlungsschritt erfolgt dann das Absenken des Elevators
Der Höhenbetrag entspricht der Schichtdicke der nächsten Pulverschicht. Danach erfolgt das Präparieren und schließlich Bestrahlen dieser nächsten Pulverschicht in der erläuterten Weise. Diese Vorgänge werden wiederholt fortgesetzt, bis der gewünschte Gegenstand
Gleichzeitig ist aber durch den geringeren Abstand eine kleinere Gesamtbaufläche gegeben. Denn wie angedeutet gibt es bei der Bestrahlungseinrichtung
Dieser Winkel bestimmt in Kombination mit dem Abstand Bestrahlungseinrichtung
Somit erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung unterschiedliche minimale Fokusdurchmesser
Dies ist durch den Aufbau der Bestrahlungseinrichtung
In diesem Optikmodul
Ferner umfasst das Optikmodul
Die Position des Optikmoduls
Wie ersichtlich ist die Position des Linsensystems
Da die Brennweite in
Hierfür sind Optikmodul
Da der Umlenkspiegel
Dadurch lässt sich im Rahmen der Verstellung des Optikmoduls
Dadurch erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung die Nutzung unterschiedlicher Brennweiten, Fokusse und/oder Fokusdurchmesser.As a result, the device according to the invention allows the use of different focal lengths, foci and / or focus diameters.
Die Bewegung der Feinfokussierlinse
Somit ist die Feinfokussierlinse
In
Die Bestrahlungseinrichtung
Zwar könnte auch entsprechend
Deshalb befindet sich bei diesem auf eine möglichst geringe Bewegung des Optikmoduls ausgelegten Ausführungsbeispiel in der die Strahlungsquelle
Ein weiterer Umlenkspiegel
Dadurch ist sichergestellt, dass auf- und abwärts Bewegungen des Bestrahlungsgehäuses
Somit lässt sich mit der Vorrichtung aus
In den gezeigten Ausführungsformen ist das letzte optische Element
Alternativ kann auch eine Kombination von mehreren Scannerspiegeln
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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