EP4304803A1 - Spiegelvorrichtung für ein fertigungssystem zur laserstrahlbasierten fertigung, fertigungssystem und verfahren - Google Patents

Spiegelvorrichtung für ein fertigungssystem zur laserstrahlbasierten fertigung, fertigungssystem und verfahren

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Publication number
EP4304803A1
EP4304803A1 EP22709575.9A EP22709575A EP4304803A1 EP 4304803 A1 EP4304803 A1 EP 4304803A1 EP 22709575 A EP22709575 A EP 22709575A EP 4304803 A1 EP4304803 A1 EP 4304803A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
movement
mirror
actuator
mirror element
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
EP22709575.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Blunk
Markus Lingner
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4304803A1 publication Critical patent/EP4304803A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/0037—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the heat emitted by liquids
    • G01J5/004—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for sensing the heat emitted by liquids by molten metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/034—Observing the temperature of the workpiece
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a mirror device for a manufacturing system for laser beam-based manufacturing, a manufacturing system for laser beam-based manufacturing, a method for manufacturing a component, and a computer program product.
  • Mirror devices for manufacturing systems for laser beam-based manufacturing are known in principle.
  • the laser beam used is moved in a work plane by a two-axis deflection unit, for example a galvanometer scanner, positioned and used to melt a powder material.
  • the energy distribution within the cross section of the laser beam is defined by optics and is usually not controllable.
  • such laser beams have a Gaussian energy distribution within the cross section of the laser beam.
  • the powder material absorbs the energy provided by the laser to form a melt pool.
  • the Gaussian energy distribution results in individual alloy components evaporating with certain materials and pores forming in the solidified material, since the intensity in the center of the laser beam is too high and deep welding occurs.
  • the focal lengths for focusing the laser beam are varied in order to be able to melt more material with the resulting larger laser beam diameter in the working plane.
  • Increasing the laser power and the feed rate does not usually lead to an improved process, since due to the absorption capacity of the material no increase in the
  • Feed speed is possible and the higher laser power can lead to the evaporation of the alloy components.
  • the intensity distribution can be configured in an annular manner, among other things.
  • the build-up rate i.e. the volume of material melted per unit of time
  • the change in intensity distribution goes with a larger diameter of the laser beam, which reduces the resolution of the process.
  • Another way to increase the build rate is to use multiple laser units that expose the powder at the same time. This leads to higher system costs, since optical elements for beam positioning are required for each laser unit used. Another disadvantage of this is that the boundary areas between the working areas of the individual laser scanners have to be adjusted precisely.
  • the known systems and methods are distinguished by a low build-up rate on the one hand and a high level of plant and process complexity on the other.
  • the mirror device for a manufacturing system for laser beam-based manufacturing comprising a movably arranged first mirror element for deflecting a Laser beam that can be moved in a working plane with a feed movement, and an actuator coupled to the first mirror element, the actuator being arranged and designed to move the first mirror element in such a way that the laser beam in the working plane executes a first superimposition movement, which preferably superimposed on the feed motion.
  • the invention is based on the finding that with a
  • Overlapping movement enables faster beam positioning and a more uniform energy input into the material or into the workpiece.
  • a quasi-stationary and freely programmable intensity distribution results on the workpiece or on the material in particular at the high frequencies of the superimposition movement, which will be explained in more detail below.
  • the superposition movement of the laser beam carried out with a high repetition rate, for example along a feed direction of the feed movement of the laser beam results in multiple exposure, which results in the material being heated through without evaporation. As a result, deep welding in particular is prevented and the formation of spatter and smoke is avoided or reduced.
  • the temperature gradient during the cooling process can be reduced by targeted post-heating of the melted material by means of the first superimposition movement and thus the risk of stress cracks in the material can be reduced. This enables the processing of other materials and thus creates new applications.
  • a circular superimposition movement it is possible, for example, to distribute the Gaussian energy distribution within the laser beam evenly over a larger area or a ring.
  • the mirror device is designed for a manufacturing system for laser beam-based manufacturing.
  • the laser beam-based production can include or be, for example, the manufacture and/or processing of a workpiece and/or component.
  • the manufacturing system can be a system for selective laser melting, for example.
  • the manufacturing system can be a system for laser beam cutting, welding and removal.
  • the mirror device comprises the movably arranged first mirror element.
  • the first mirror element is arranged and designed to deflect a laser beam. It is particularly preferred that the first mirror element is arranged such that it can be rotated and/or tilted.
  • the first mirror element preferably has a reflection surface.
  • the reflection surface is preferably flat in order to deflect a laser beam.
  • the reflection surface of the first mirror element is preferably designed in such a way that there is no beam shaping of the laser beam impinging on it. It is particularly preferable that the reflection surface is flat.
  • the reflection surface is also preferably provided with a reflective coating that is matched to the wavelength of the laser beam and is designed in such a way that the smallest possible proportion of the laser power is absorbed, so that a reflectivity of 100% is desirable.
  • the first mirror element is preferably of a size and/or a geometry that is weight-optimized, so that the first mirror element can be moved in a highly dynamic manner.
  • the mirror device has a cooling unit for cooling the first mirror element.
  • the cooling unit can be designed, for example, to apply a gas, in particular a high-purity gas, or air to the first mirror element.
  • the mirror device further includes the actuator.
  • the actuator is coupled to the first mirror element.
  • the actuator is with the first Mechanically coupled mirror element.
  • the mechanical coupling is preferably designed in such a way that the mirror device has a high level of rigidity and in particular a natural frequency that is above an operating frequency of the mirror device.
  • the natural frequency is preferably many times higher than the operating frequency.
  • the mechanical coupling is preferably designed essentially without play.
  • the actuator is preferably electromechanically coupled to the mirror element. It is particularly preferred that the mirror device has at least one coupling element, the first mirror element being coupled to the actuator by means of the at least one coupling element.
  • the actuator preferably has a cylindrical base body, which has a diameter of 25 mm and a height of 35 mm, for example.
  • the mirror device is also characterized in that the actuator is arranged and designed to move the first mirror element in such a way that the laser beam in the working plane executes a first superimposition movement that superimposes the feed movement.
  • the superposition movement is brought about in particular by the first mirror element.
  • the superimposition movement can be brought about by tilting the first mirror element back and forth.
  • a two-dimensional tilting movement preferably takes place about a pivot located in the central axis of the laser beam in the reflection surface. Due to the small deflection angle of the first mirror element, other spatial positions for the pivot point are also conceivable.
  • the feed movement usually takes place along a predefined working path.
  • the feed motion is implemented, for example, by galvanometer scanners.
  • the superimposition movement is an additional movement of the laser beam in the working plane that is essentially independent of the feed movement.
  • the overlay movement can be a unidirectional movement between a first position A and a second position B, for example. It is particularly preferred that from position B to position A a sudden return movement is provided.
  • the overlay movement can about it also contain any possible movement sequences, for example elliptical or loop-shaped.
  • the superimposition movement is characterized in particular by the fact that its speed is usually a multiple of the feed speed of the feed movement. It is particularly preferred that the speed of the superimposing movement is more than ten times, more than a hundred times and/or more than a thousand times higher than that
  • a preferred embodiment variant of the mirror device is characterized in that the first superimposition movement has a first movement distance of between 1 mm and 10 mm, in particular between 1 mm and 5 mm.
  • the movement distance is, in particular, the distance that exists between two points of the superimposition movement whose spacing is at a maximum.
  • the first movement distance can be the distance between two reversal points of the first superimposition movement.
  • the first movement distance can, for example, be a diameter of the first
  • the first superimposition movement is preferably designed as a reciprocating movement. In particular, such short movement distances lead to optimum heating of the area of the material or workpiece surrounding the laser beam. Thus, high build rates can be realized.
  • a preferred development of the mirror device is characterized in that the actuator is arranged and designed to move the first mirror element in such a way that a quasi-stationary intensity distribution is established.
  • the disadvantage of a Gaussian energy distribution in the laser beam can be reduced or eliminated by a quasi-stationary intensity distribution.
  • the actuator is arranged and designed to move the first mirror element at a frequency of more than 0.5 kilohertz, preferably more than 1 kilohertz, further preferably more than 1.5 kilohertz, in particular more than 2 kilohertz . With such high frequencies, the quasi-stationary intensity distribution is made possible in an advantageous manner.
  • the first mirror element is tilted back and forth at the frequencies described above. If the first mirror element is tilted back and forth with one of these frequencies, the laser beam also moves with a heterodyning movement corresponding to this frequency.
  • the first mirror element is arranged such that it can be tilted about a first tilting axis.
  • the first mirror element is coupled to the actuator in such a way that the actuator moves the first mirror element back and forth between a first tilting end position and a second tilting end position.
  • the first mirror element is arranged such that it can be tilted about a second tilting axis, the second tilting axis being aligned essentially orthogonally to the first tilting axis.
  • Different superimposition movements are made possible with a first tilting axis and a second tilting axis.
  • circular or elliptical or loop-shaped superimposition movements of the laser beam can be realized with two tilting axes.
  • the actuator is a piezo element or includes it.
  • the actuator preferably comprises two or more, in particular a large number, of piezo elements.
  • a piezo element is in particular a component that utilizes the piezo effect.
  • a mechanical movement is brought about in particular by the application of an electrical voltage.
  • high frequencies of a mechanical movement can be generated with piezo elements.
  • piezo elements are advantageously characterized by high rigidity.
  • the actuator is or comprises a drive, in particular a direct drive.
  • the direct drive includes in particular at least one permanent magnet and an electrical coil that is designed to be controllable. Additionally, the direct drive may be or may include a voice coil. A voice coil is also known as a voice coil.
  • the mirror device includes a sensor for detecting a melt bath temperature of a melt bath.
  • the sensor is preferably a photodiode and/or a thermal camera.
  • the mirror device comprises a splitter mirror arranged in the beam path of the laser beam, which reflects the laser beam and transmits radiation reflected from the melt pool, the sensor and the splitter mirror being arranged in such a way that the sensor detects the transmitted, reflected radiation.
  • the mirrors arranged in the beam path of the laser beam are always arranged in such a way that they are directed towards the melt pool, radiation reflected from the melt pool is also reflected back via these mirrors, especially if the coating of the mirrors in the beam path also reflect the required wavelengths and the transmissive ones Optics let the reflected light through.
  • a sensor arranged behind this splitter mirror can detect the reflected radiation. It is particularly preferred that the sensor is arranged behind the splitter mirror.
  • the mirror device comprises a movably arranged second mirror element, the actuator and/or another actuator being arranged and designed to move the second mirror element in such a way that the laser beam is in the Working plane executes a second overlay movement superimposed on the feed movement.
  • the second superimposition movement can be designed to be the same as or different from the first superimposition movement.
  • the first superimposition movement has a first movement pattern that is different from the second superimposition movement. This means in particular that the first movement pattern is different from a second movement pattern of the second superimposed movement.
  • the first movement pattern of the first superposition movement can be, for example, a substantially unidirectional movement between two positions.
  • the second movement pattern of the second superimposition movement can be circular, elliptical and/or loop-shaped, for example.
  • a further preferred development of the mirror device is characterized in that it comprises a control device for controlling the first mirror element, the second mirror element and/or the actuator.
  • the control device is preferably coupled in terms of signals to the actuator and/or the further actuator. It is particularly preferred that output signals of the control device can be used as input signals by the actuator and/or the further actuators.
  • a further preferred embodiment variant of the mirror device is characterized in that the control device is set up to control the actuator in such a way that the first superimposition movement and/or the second superimposition movement is/are aligned parallel to the feed movement.
  • Such a first or second superimposition movement aligned parallel to the feed movement is preferably unidirectional, so that it occurs uniformly from a first position A to a second position B and then returns to the starting position A with a step function.
  • control device is set up to control the actuator in such a way that the first superimposition movement and/or the second superimposition movement is/are aligned orthogonally to the feed movement. Such a superimposition movement is in particular aligned transversely to the feed movement.
  • control device is set up to control the actuator in such a way that the first superposition movement and/or the second superimposition movement has a circular, elliptical and/or loop-shaped first movement pattern and/or second movement pattern.
  • the control device is set up to receive a temperature signal from the sensor that characterizes the melt bath temperature of the melt bath and to control and/or regulate a laser unit, in particular a laser power, based on the temperature signal.
  • the laser unit which in particular is not comprised by the mirror device, can be controlled or regulated by means of a correspondingly configured signal from the control device.
  • control device is set up to control the actuator in such a way that one of the mirror elements is moved with a substantially translational movement and the other mirror element is moved with a substantially rotary movement.
  • This can mean, for example, that the first mirror element is moved with a translatory movement and the second mirror element is moved with a rotary movement.
  • control device can be coupled in terms of signals to a laser scanner and is set up to control the actuator as a function of the advance movement of the laser beam caused by the laser scanner.
  • the first superposition movement is aligned orthogonally to the feed movement.
  • the control device can consequently control the actuator, for example, in such a way that the first superimposition movement takes place essentially exclusively in the y-direction.
  • the previously described control of the actuator by means of the control device can be set up in an analogous manner for the further actuator.
  • a further preferred embodiment variant of the mirror device is characterized in that it comprises two or three further mirror elements which are arranged in such a way that the laser beam is aligned essentially coaxially in front of the first mirror element in the laser beam direction and behind the last of the four mirror elements in the laser beam direction.
  • Such a mirror device is in particular designed to be retrofittable, so that it can be installed in existing production systems.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a manufacturing system for laser beam-based manufacturing, comprising a laser unit for emitting a laser beam and a mirror device according to one of the embodiment variants described above.
  • the laser unit can be a solid-state laser or a CO2 laser, for example. Furthermore, any other laser suitable for laser beam-based production can be used.
  • the laser unit can be or include a fiber laser, for example.
  • the laser unit is preferably set up in such a way that the emitted laser beam has a wavelength of 1064 nm.
  • the laser unit also preferably has an output of between 400 W and 1000 W.
  • a preferred embodiment variant of the production system comprises a collimation area in which the laser beam is essentially collimated, with the mirror device being arranged in the collimation area, in particular between a collimator unit and a focusing unit.
  • the production system comprises a laser scanner, the control device being coupled to the laser scanner in terms of signals and controlling the first mirror element as a function of a feed movement of the laser beam caused by the laser scanner.
  • the production system is preferably a laser processing machine, in particular for laser beam melting, for selective laser melting, for laser beam cutting, for laser beam welding and/or for laser beam ablation.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for laser beam-based production of a component with a laser beam that can be moved in a working plane with a feed movement, comprising the step of: controlling an actuator coupled to a first mirror element, the mirror element being arranged for deflecting the laser beam is such that the laser beam performs a first superimposition movement in the working plane, which preferably superimposes the feed movement.
  • a preferred embodiment variant of the method includes the step: tilting the first mirror element about a first tilting axis, in particular moving the first mirror element between a first tilting end position and a second tilting end position.
  • the method can include the step: tilting the first mirror element about a second tilting axis.
  • the method can include the step: controlling and/or regulating a laser unit, in particular a laser power of the laser unit, based on a temperature signal that characterizes a melt bath temperature of a melt bath.
  • the laser power can be controlled and/or regulated based on a position of the first mirror element.
  • it is preferred that the laser power is controlled and/or regulated based on a speed of the laser beam in a working plane.
  • the method can include the step: controlling the actuator as a function of the feed movement caused by the laser scanner Computer program cause this by a computer to perform the method according to one of the embodiments described above.
  • FIG. 1 shows a schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system with a mirror device
  • FIG. 2 shows a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system with a mirror device
  • 3 shows a further schematic, two-dimensional view of an exemplary embodiment of a manufacturing system with a mirror device
  • FIG. 4 shows a schematic view of exemplary superimposition movements of a laser beam in a working plane
  • Figure 5 a schematic method.
  • the manufacturing system 1 shown in FIG. 1 comprises a laser unit 18 for emitting a laser beam 16, 24.
  • the laser unit can be a solid-state laser or a CO2 laser, for example. Any other laser suitable for laser beam-based production can also be used.
  • the one from the laser unit 18 emitted laser beam first strikes a collimator unit 20 which collimates the laser beam 16 .
  • the collimated laser beam 16 then strikes a mirror device 2. Within the mirror device 2, the collimated laser beam 16 first strikes a mirror element 10, then a further mirror element 8 and then a first mirror element 4.
  • the first mirror element 4 is movably arranged.
  • the first mirror element 4 is arranged to deflect the laser beam about two axes aligned substantially orthogonally to one another.
  • the first mirror element 4 is designed to deflect the laser beam 16 .
  • the first mirror element 4 is coupled to an actuator 6 .
  • the actuator 6 is arranged and designed to move the first mirror element 4 in such a way that the focused laser beam 24 , which will be explained in more detail below, executes a first superimposition movement 46 in the working plane 28 that superimposes the feed movement 36 .
  • the actuator 6 preferably includes a large number of
  • Piezo elements so that the mirror element 4 moves back and forth about a tilting axis at a high frequency, for example two kilohertz.
  • the laser beam 16 is deflected by the first mirror element 4 onto a further mirror element 12 .
  • the mirror elements 4, 8 to 12 are each arranged in such a way that the laser beam is deflected by 90 degrees. Since a total of four mirror elements 4, 8 to 12 are arranged within the mirror device 2, the laser beam has the same orientation in the beam direction in front of the mirror device 2 and behind the mirror device 2.
  • the laser beam strikes a focusing unit 22.
  • the collimated laser beam 16 is focused within the focusing unit 22, so that a focused laser beam 24 is formed.
  • the focused laser beam 24 strikes a laser scanner 26.
  • the laser scanner can be a galvanometer scanner, for example.
  • the laser scanner 26 directs the focused laser beam 24 onto the working plane 28.
  • the laser scanner 26 is preferably arranged and designed in such a way that that the focal point of the focused laser beam 24 lies essentially in the working plane 28 .
  • the movement of a focused laser beam 24 in a working plane 28 with a laser scanner 26 is known in principle.
  • a disadvantage of this in the past was that the laser beam was focused in the working plane 28 in such a way that stress cracks occurred within the solidified material as a result of the punctiform input of energy and the associated steep temperature gradient. This limited the choice of materials for the laser beam melting process. In addition, with certain materials the temperatures were so high that individual alloy components evaporated and pores formed in the solidified material.
  • These disadvantages are prevented by the mirror device 2.
  • the focused laser beam 24 can be moved back and forth in the working plane 28 about a predefined center point. Furthermore, it can revolve around the center. As a result, the area surrounding the predefined center point is preheated and, if necessary, also postheated.
  • the mirror device 2 also enables the melt bath in the working plane 28 to be monitored.
  • the mirror device 2 has a photodiode 14 for this purpose.
  • the photodiode 14 is arranged behind the mirror element 8 designed as a splitter mirror. By reflecting radiation from the melt pool, which travels backwards through the path of the laser beam described above, this radiation impinges on the photodiode 14.
  • the mirror device 2 also includes a control device 50.
  • the control device 50 is connected to the photodiode 14, the actuator 6, the laser unit 18 and the laser scanner 26 are signal-coupled.
  • the control device 50 is designed to control the first mirror element 4 , the laser unit 18 , the actuator 6 and the laser scanner 26 .
  • the control device 50 is set up to control the actuator 6 in such a way that the first superposition movement 46 is parallel and/or orthogonal to the Feed movement 36 is aligned and / or has a circular, elliptical and / or loop-shaped first movement pattern.
  • the control device 50 is also preferably set up to receive a temperature signal characterizing a melt bath temperature of the melt bath from the photodiode 14 and to control and/or regulate the laser unit 18 based on the temperature signal.
  • the control device 50 is coupled to the laser unit 18 in terms of signals.
  • the control device 50 is set up in such a way that it can control the laser power as a function of an angular position of the mirror element 4 and as a function of a current path speed of the laser beam in the working plane 28 .
  • the laser power can also be influenced by the control device 50 varying the frequency and/or the duty cycle of the laser beam.
  • the structure of the mirror device 2 differs from the structure described above in that a second mirror element and a second actuator 32 are provided.
  • a second superposition movement 48 can be implemented with the second mirror element 30 . It is thus possible, for example, for the laser beam 24 to perform a unidirectional and a circular movement around the center point 34 .
  • the photodiode 14 is arranged behind the mirror element 12 here, so that the mirror element 12 is designed as a splitter mirror.
  • the control device 50 described with reference to FIG. 1 can be provided in an analogous manner with the necessary adjustments in the production system 1 shown in FIG. 3 shows a further preferred embodiment of the production system 1.
  • This production system has a laser unit 18 and a collimator unit 20 for emitting a collimated laser beam 16.
  • the mirror device 2 comprises a first mirror element 4 and an actuator 6.
  • the collimated laser beam 16 reflected by the first mirror element 4 impinges on the laser scanner 26, which deflects the collimated laser beam 16 to a plane field lens 27.
  • FIG. 4 shows possible overlay movements 46, 48 in the working plane 28 of the focused laser beam 24.
  • the solid line in the middle represents the position of the laser beam 24 predefined by the working path at a point in time without taking into account the overlay movements 46, 48. This position would Adjust if mirror assembly 2 is not used.
  • the laser beam 24 is moved with the feed movement 36 along the predefined work path.
  • the superposition movements 46, 48 are superimposed on this movement.
  • the laser beam 24 can move back and forth continuously with the first superimposition movement 46 such that it moves back and forth between the first parallel end point 42 and the second parallel end point 44 .
  • the parallel end points 42, 44 are moved along with the focused laser beam 24 along the feed movement 36.
  • the laser beam 24 can also be moved with a second superposition movement 48 so that the laser beam 24 is moved back and forth between the first orthogonal end point 38 and the second orthogonal end point 40 .
  • the area surrounding the focused laser beam 24 is preheated and/or postheated.
  • the feed speed of the feed movement 36 can be increased.
  • step 100 the actuator 6 coupled to the first mirror element 4 is controlled, with the first mirror element 4 being arranged to deflect the laser beam 16 in such a way that the laser beam 24 in the working plane 28 executes a first superimposition movement 46 superimposed on the feed movement 36.
  • step 102 a second actuator 32 is controlled to move a second mirror element 30, so that a second superposition movement 48 is made possible. Steps 100 and 102 are preferably carried out at the same time.
  • step 104 the laser unit 18 is controlled based on a temperature signal. The laser power is also dependent a position of the laser beam in the working plane and a speed of the laser beam in the working plane and/or regulated.
  • the control device 50 is preferably coupled in terms of signals to a controller for the laser scanner 26 so that the orientation of the tilting mirror movement can be synchronized with the current direction of movement of the laser scanner 26 .
  • the temperature sensor 14 is arranged behind the mirror element 12, it is preferable for the temperature sensor to be in the form of a thermal camera in order to advantageously record the temperature distribution over a larger area.
  • the photodiode described above and the thermal camera preferably have an essentially identical field of view.
  • mirror element 10 mirror element 12
  • mirror element 14 photodiode 16
  • collimated laser beam 18 laser unit 20
  • collimator unit 22 focusing unit 24 focused laser beam 26 laser scanner

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spiegelvorrichtung (2) für ein Fertigungssystem (1) zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Fertigungssystem (1) zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils und ein Computerprogrammprodukt. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spiegelvorrichtung (2) für ein Fertigungssystem (1) zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend ein bewegbar angeordnetes erstes Spiegelelement (4) zum Umlenken eines Laserstrahls (16, 24), der mit einer Vorschubbewegung (36) in einer Arbeitsebene (28) bewegbar ist, und einen mit dem ersten Spiegelelement (4) gekoppelten Aktuator (6), wobei der Aktuator (6) angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement (4) derart zu bewegen, dass der Laserstrahl (16, 24) in der Arbeitsebene (28) eine erste Überlagerungsbewegung (46) ausführt.

Description

Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, Fertigungssystem und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils und ein Computerprogrammprodukt. Spiegelvorrichtungen für Fertigungssysteme zur laserstrahlbasierten Fertigung sind grundsätzlich bekannt. Für laserstrahlbasierte Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel der laseradditiven Fertigung, wird der verwendete Laserstrahl durch eine Zwei-Achsen-Ablenkeinheit, beispielsweise ein Galvanometerscanner, in einer Arbeitsebene bewegt, positioniert und zum Aufschmelzen eines Pulverwerkstoffes genutzt. Die Energieverteilung innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls wird durch eine Optik definiert und ist in der Regel nicht steuerbar. Beispielsweise weisen solche Laserstrahlen eine gaußförmige Energieverteilung innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls auf. Zur Ausbildung eines Schmelzbads absorbiert der Pulverwerkstoff die durch den Laser bereitgestellte Energie. In Abhängigkeit der Absorptionsfähigkeit des Werkstoffes wird hierfür ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum benötigt. Ferner treten durch den punktuellen Energieeintrag und dem damit verbundenen steilen Temperaturgradienten zum Teil Spannungsrisse innerhalb des erstarrten Materials bzw. Werkstoffs auf, wodurch die Materialauswahl für die laserstrahlbasierte Fertigung eingeschränkt ist.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aufgrund der Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls. Die gaußförmige Energieverteilung resultiert darin, dass bei bestimmten Werkstoffen einzelne Legierungsbestandteile verdampfen und sich Poren in dem erstarrten Material ausbilden, da die Intensität im Zentrum des Laserstrahls zu hoch ist und ein Tiefschweißen auftritt.
In vielen Verfahren werden die Brennweiten zur Fokussierung des Laserstrahls variiert, um mit dem daraus resultierenden größeren Laserstrahldurchmesser in der Arbeitsebene, mehr Material aufschmelzen zu können. Hieraus resultiert jedoch die Notwendigkeit für eine Erhöhung der Laserleistung. Ferner führt dies durch den größeren Strahldurchmesser zu einer geringeren Auflösung des Verfahrens. Eine Erhöhung der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit führt in der Regel nicht zu einem verbesserten Verfahren, da aufgrund der Absorptionsfähigkeit des Materials keine beliebige Erhöhung der
Vorschubgeschwindigkeit möglich ist und die höhere Laserleistung zu dem Verdampfen der Legierungsbestandteile führen kann.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Systeme zur gleichmäßigeren Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls bekannt, mit denen Intensitätsspitzen vermieden werden können. Beispielsweise kann mittels optischen Elementen, z.B. diffraktiven optischen Elementen, die Intensitätsverteilung unter anderem ringförmig ausgebildet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Aufbaurate, also das aufgeschmolzene Materialvolumen pro Zeiteinheit, durch eine gleichmäßige Energieverteilung gesteigert werden kann. Diese Steigerung der Aufbaurate ist jedoch gering. Darüber hinaus geht die Änderung der Intensitätsverteilung mit einem größeren Durchmesser des Laserstrahls einher, wodurch sich die Auflösung des Prozesses verringert.
Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Aufbaurate besteht in der Verwendung mehrerer Lasereinheiten, die zeitgleich das Pulver belichten. Dies führt zu höheren Anlagenkosten, da für jede eingesetzte Lasereinheit optische Elemente zur Strahlpositionierung erforderlich sind. Nachteilig hieran ist ferner, dass die Grenzbereiche zwischen den Arbeitsbereichen der einzelnen Laserscanner präzise zu justieren sind.
Die bekannten Systeme und Verfahren zeichnen sich durch eine geringe Aufbaurate einerseits und eine hohe Anlagen- bzw. Verfahrenskomplexität andererseits aus.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils und ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine höhere Aufbaurate und/oder eine höhere Bauteilqualität ermöglicht. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zur Steigerung der Aufbaurate eines laserstrahlbasierten Fertigungsverfahrens bereitzustellen, die in ein bestehendes Fertigungssystem nachrüstbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Spiegelvorrichtung, einem Verfahren und einem Computerprogrammprodukt nach den Merkmalen der unabhängigen Patentenansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den
Patentansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst mit der Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend ein bewegbar angeordnetes erstes Spiegelelement zum Umlenken eines Laserstrahls, der mit einer Vorschubbewegung in einer Arbeitsebene bewegbar ist, und einen mit dem ersten Spiegelelement gekoppelten Aktuator, wobei der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine erste Überlagerungsbewegung ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung überlagert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer
Überlagerungsbewegung eine schnellere Strahlpositionierung und ein gleichmäßigerer Energieeintrag in den Werkstoff bzw. in das Werkstück ermöglicht wird. Insbesondere bei dem im Folgenden noch näher erläuterten hohen Frequenzen der Überlagerungsbewegung ergibt sich am Werkstück bzw. am Werkstoff eine quasi stationäre und frei programmierbare Intensitätsverteilung. Durch die mit hoher Wiederholrate durchgeführte Überlagerungsbewegung des Laserstrahls, beispielsweise entlang einer Vorschubrichtung der Vorschubbewegung des Laserstrahls, kommt es zu einer Mehrfachbelichtung, die in einer verdampfungsfreien Durchwärmung des Materials resultiert. Infolgedessen wird insbesondere ein Tiefschweißen verhindert und die Bildung von Spratzern und Schmauch wird vermieden oder reduziert.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Vorschubbewegung und die diese überlagernde Überlagerungsbewegung eine größere Menge an Werkstoff in gleicher Zeit aufgeschmolzen werden kann. Der Werkstoff bzw. das Werkstück werden durchgewärmt und zwischen durchgewärmtem und aufgeschmolzenem Material verringert sich die Temperaturdifferenz. Ferner wird die belichtete Fläche größer, sodass eine höhere Laserenergie besser auf dem Bauteil verteilt wird, ohne dass der unerwünschte Tiefschweißeffekt auftritt. Dies resultiert in einer wesentlichen Erhöhung der Aufbaurate und infolgedessen auch der Produktivität der laserstrahlbasierten Fertigung.
Darüber hinaus kann durch gezieltes Nachwärmen des aufgeschmolzenen Materials mittels der ersten Überlagerungsbewegung der Temperaturgradient während des Abkühlvorgangs reduziert und somit die Gefahr von Spannungsrissen im Material verringert werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung weiterer Werkstoffe und schafft dadurch neue Anwendungsfälle. Bei einer kreisförmigen Überlagerungsbewegung ist es beispielsweise möglich, die gaußförmige Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls gleichmäßig auf eine größere Fläche oder auch einen Ring zu verteilen.
Die Spiegelvorrichtung ist für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung ausgebildet. Die laserstrahlbasierte Fertigung kann beispielsweise ein Herstellen und/oder ein Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Bauteils umfassen oder sein. Das Fertigungssystem kann beispielsweise ein System zum selektiven Laserschmelzen sein. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem ein System zum Laserstrahlschneiden, -schweißen und -abtragen sein. Die Spiegelvorrichtung umfasst das bewegbar angeordnete erste Spiegelelement. Das erste Spiegelelement ist angeordnet und ausgebildet, um einen Laserstrahl umzulenken. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das erste Spiegelelement drehbar und/oder kippbar angeordnet ist. Das erste Spiegelelement weist vorzugsweise eine Reflektionsoberfläche auf. Die Reflektionsoberfläche ist vorzugsweise eben ausgebildet, um einen Laserstrahl umzulenken.
Die Reflektionsoberfläche des ersten Spiegelelements ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass keine Strahlformung des auf diese auftreffenden Laserstrahls erfolgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Reflektionsoberfläche eben ausgebildet ist. Die Reflektionsoberfläche ist ferner vorzugsweise mit einer auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmten, reflektierenden Beschichtung versehen, die derart ausgebildet ist, dass ein möglichst geringer Anteil der Laserleistung absorbiert wird, sodass eine Reflektivität von 100 % wünschenswert ist. Das erste Spiegelelement ist weist vorzugsweise eine Größe und/oder eine Geometrie auf, die gewichtsoptimiert ist, sodass das erste Spiegelelement hochdynamisch bewegbar ist.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Spiegelvorrichtung eine Kühleinheit zur Kühlung des ersten Spiegelelements aufweist. Die Kühleinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, um das erste Spiegelelement mit einem Gas, insbesondere einem hochreinen Gas, oder Luft zu beaufschlagen. Die Spiegelvorrichtung umfasst ferner den Aktuator. Der Aktuator ist mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt. Vorzugsweise ist der Aktuator mit dem ersten Spiegelelement mechanisch gekoppelt. Die mechanische Kopplung ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Spiegelvorrichtung eine hohe Steifigkeit und insbesondere eine über einer Betriebsfrequenz der Spiegelvorrichtung liegenden Eigenfrequenz aufweist. Die Eigenfrequenz ist vorzugsweise um ein Vielfaches höher als die Betriebsfrequenz. Die mechanische Kopplung ist ferner vorzugsweise im Wesentlichen spielfrei ausgebildet.
Ferner vorzugsweise ist der Aktuator mit dem Spiegelelement elektromechanisch gekoppelt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Spiegelvorrichtung mindestens ein Kopplungselement aufweist, wobei das erste Spiegelelement mittels des mindestens einen Kopplungselements mit dem Aktuator gekoppelt ist. Der Aktuator weist vorzugsweise einen zylindrischen Grundkörper aus, der beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm und eine Höhe von 35 mm aufweist.
Die Spiegelvorrichtung zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine die Vorschubbewegung überlagernde erste Überlagerungsbewegung ausführt. Die Überlagerungsbewegung wird insbesondere durch das erste Spiegelelement bewirkt. Beispielsweise kann die Überlagerungsbewegung durch ein Hin- und Herkippen des ersten Spiegelelements bewirkt werden. Eine zweidimensionale Kippbewegung erfolgt vorzugsweise um einen in der Zentralachse des Laserstrahls in der Reflektionsoberfläche liegenden Drehpunkt. Aufgrund der kleinen Ablenkwinkel des ersten Spiegelelements sind räumlich auch andere Positionen für den Drehpunkt denkbar.
Die Vorschubbewegung erfolgt üblicherweise entlang eines vordefinierten Arbeitsweges. Die Vorschubbewegung wird in laserstrahlbasierten Fertigungssystemen beispielsweise durch Galvanometerscanner realisiert. Die Überlagerungsbewegung ist eine von der Vorschubbewegung im Wesentlichen unabhängige zusätzliche Bewegung des Laserstrahls in der Arbeitsebene. Die Überlagerungsbewegung kann beispielsweise eine unidirektionale Bewegung zwischen einer ersten Position A und einer zweiten Position B sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass von der Position B zur Position A eine sprunghafte Rückbewegung vorgesehen ist. Die Überlagerungsbewegung kann darüber hinaus auch jegliche möglichen Bewegungsabläufe enthalten, beispielsweise elliptisch oder schleifenförmig.
Die Überlagerungsbewegung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass deren Geschwindigkeit in der Regel ein Vielfaches der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubbewegung beträgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Geschwindigkeit der Überlagerungsbewegung mehr als zehnfach, mehr als hundertfach und/oder mehr als tausendfach höher ist als die
Vorschubgeschwindigkeit.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Überlagerungsbewegung eine erste Bewegungsdistanz aufweist, die zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, beträgt. Die Bewegungsdistanz ist insbesondere die Distanz, die zwischen zwei Punkten der Überlagerungsbewegung besteht, deren Beabstandung maximal ist. Darüber hinaus kann die erste Bewegungsdistanz die Distanz zwischen zwei Umkehrpunkten der ersten Überlagerungsbewegung sein. Bei einer kreisförmigen ersten Überlagerungsbewegung kann die erste Bewegungsdistanz beispielsweise ein Durchmesser der ersten
Überlagerungsbewegung sein. Ein Koordinatensystem der ersten Überlagerungsbewegung bewegt sich stets mit der Vorschubbewegung mit. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die erste Bewegungsdistanz weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 500 pm, vorzugsweise weniger als 100 pm, beträgt. Die erste Überlagerungsbewegung ist vorzugsweise als eine Hin- und Herbewegung ausgebildet. Insbesondere derart geringe Bewegungsdistanzen führen zu einer optimalen Erwärmung des den Laserstrahl umgebenden Bereichs des Werkstoffs bzw. des Werkstücks. Somit können hohe Aufbauraten realisiert werden.
Eine bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass sich eine quasi stationäre Intensitätsverteilung einstellt. Durch eine quasi stationäre Intensitätsverteilung kann der Nachteil einer gaußschen Energieverteilung im Laserstrahl reduziert oder beseitigt werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement mit einer Frequenz von mehr als 0,5 Kilohertz, vorzugsweise mehr als 1 Kilohertz, ferner vorzugsweise mehr als 1,5 Kilohertz, insbesondere mehr als 2 Kilohertz zu bewegen. Mit derartig hohen Frequenzen wird die quasi stationäre Intensitätsverteilung in vorteilhafter Weise ermöglicht.
Es ist ferner bevorzugt, dass das erste Spiegelelement mit den im Vorherigen beschriebenen Frequenzen hin- und hergekippt wird. Wenn das erste Spiegelelement mit einer dieser Frequenzen hin- und hergekippt wird, bewegt sich auch der Laserstrahl mit einer dieser Frequenz entsprechenden Überlagerungsbewegung.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das erste Spiegelelement kippbar um eine erste Kippachse angeordnet ist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das erste Spiegelelement derart mit dem Aktuator gekoppelt ist, dass der Aktuator das erste Spiegelelement zwischen einer ersten Kippendstellung und einer zweiten Kippendstellung hin- und herbewegt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das erste Spiegelelement kippbar um eine zweite Kippachse angeordnet ist, wobei die zweite Kippachse im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Kippachse ausgerichtet ist. Mit einer ersten Kippachse und einer zweiten Kippachse werden unterschiedliche Überlagerungsbewegungen ermöglicht. Insbesondere können mit zwei Kippachsen kreisförmige oder elliptischförmige oder schleifenförmige Überlagerungsbewegungen des Laserstrahls realisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Aktuator ein Piezoelement ist oder diesen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Aktuator zwei oder mehr, insbesondere eine Vielzahl, an Piezoelementen. Ein Piezoelement ist insbesondere ein Bauteil, das den Piezoeffekt ausnutzt. Hierbei wird insbesondere durch das Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung bewirkt. Insbesondere können mit Piezoelementen hohe Frequenzen einer mechanischen Bewegung erzeugt werden. Piezoelemente zeichnen sich darüber hinaus in vorteilhafterweise durch eine hohe Steifigkeit aus. Infolgedessen ist ein Aktuator mit einem, zwei oder mehreren Piezoelementen zur Realisierung der im Vorherigen beschriebenen Frequenzen des ersten Spiegelelements geeignet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Aktuator ein Antrieb, insbesondere ein Direktantrieb, ist oder diesen umfasst. Der Direktantrieb umfasst insbesondere mindestens einen Permanentmagneten und eine elektrische Spule, die ansteuerbar ausgebildet ist. Darüber hinaus kann der Direktantrieb eine Schwingspule sein oder diese umfassen. Eine Schwingspule wird auch als Voice Coil bezeichnet.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese einen Sensor zur Erfassung einer Schmelzbadtemperatur eines Schmelzbades umfasst. Der Sensor ist vorzugsweise eine Fotodiode und/oder eine Thermokamera. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Spiegelvorrichtung einen im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Teilerspiegel umfasst, der den Laserstrahl reflektiert und eine vom Schmelzbad reflektierte Strahlung transmittiert, wobei der Sensor und der Teilerspiegel derart angeordnet sind, dass der Sensor die transmittierte, reflektierte Strahlung erfasst.
Da die im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Spiegel stets so angeordnet sind, dass diese auf das Schmelzbad gerichtet sind, wird auch eine vom Schmelzbad reflektierte Strahlung über diese Spiegel zurückreflektiert, insbesondere wenn die Beschichtung der Spiegel in dem Strahlengang die erforderlichen Wellenlängen ebenfalls reflektieren und die transmissiven Optiken das reflektierte Licht durchlassen. Wenn einer der Spiegel als Teilerspiegel ausgebildet ist und die reflektierte Strahlung transmittiert, kann ein hinter diesem Teilerspiegel angeordneter Sensor die reflektierte Strahlung erfassen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Sensor hinter dem Teilerspiegel angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese ein bewegbar angeordnetes zweites Spiegelelement umfasst, wobei der Aktuator und/oder ein weiterer Aktuator angeordnet und ausgebildet ist bzw. sind, um das zweite Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine die Vorschubbewegung überlagernde zweite Überlagerungsbewegung ausführt. Die zweite Überlagerungsbewegung kann gleich oder verschieden zur ersten Überlagerungsbewegung ausgebildet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Überlagerungsbewegung ein von der zweiten Überlagerungsbewegung verschiedenes erstes Bewegungsmuster aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass das erste Bewegungsmuster verschieden von einem zweiten Bewegungsmuster der zweiten Überlagerungsbewegung ist.
Das erste Bewegungsmuster der ersten Überlagerungsbewegung kann beispielsweise eine im Wesentlichen unidirektionale Bewegung zwischen zwei Positionen sein. Das zweite Bewegungsmuster der zweiten Überlagerungsbewegung kann beispielsweise kreisförmig, ellipsenförmig und/oder schleifenförmig ausgebildet sein.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des ersten Spiegelelements, des zweiten Spiegelelements und/oder des Aktuators umfasst. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise signaltechnisch mit dem Aktuator und/oder dem weiteren Aktuator signaltechnisch gekoppelt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass Ausgangssignale der Steuerungsvorrichtung von dem Aktuator und/oder den weiteren Aktuatoren als Eingangssignale verwendet werden können.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung parallel zu der Vorschubbewegung ausgerichtet ist bzw. sind. Eine solche parallel zur Vorschubbewegung ausgerichtete erste bzw. zweite Überlagerungsbewegung ist vorzugsweise unidirektional ausgebildet, sodass diese gleichmäßig von einer ersten Position A zu einer zweiten Position B erfolgt und anschließend mit einer Sprungfunktion zur Ausgangsposition A zurückkehrt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung orthogonal zu der Vorschubbewegung ausgerichtet ist bzw. sind. Eine solche Überlagerungsbewegung ist insbesondere quer zur Vorschubbewegung ausgerichtet. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung ein kreisförmiges, elliptisches und/oder schleifenförmiges erstes Bewegungsmuster und/oder zweites Bewegungsmuster aufweist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um von dem Sensor ein die Schmelzbadtemperatur des Schmelzbades charakterisierendes Temperatursignal zu empfangen und basierend auf dem Temperatursignal eine Lasereinheit, insbesondere eine Laserleistung, zu steuern und/oderzu regeln. Die insbesondere nicht von der Spiegelvorrichtung umfasste Lasereinheit kann mittels eines entsprechend ausgebildeten Signals der Steuerungsvorrichtung angesteuert bzw. geregelt werden.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass eines der Spiegelelemente mit einer im Wesentlichen translatorischen Bewegung und das andere Spiegelelement mit einer im Wesentlichen rotatorischen Bewegung bewegt wird. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass das erste Spiegelelement mit einer translatorischen Bewegung und das zweite Spiegelelement mit einer rotatorischen Bewegung bewegt wird. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung mit einem Laserscanner signaltechnisch koppelbar und eingerichtet ist, den Aktuator in Abhängigkeit der von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung des Laserstrahls zu steuern. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass die erste Überlagerungsbewegung orthogonal zur Vorschubbewegung ausgerichtet ist. Bei einer Vorschubbewegung des Laserstrahls ausschließlich in x-Richtung kann die Steuerungsvorrichtung infolgedessen den Aktuator beispielsweise derart steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung im Wesentlichen ausschließlich in y- Richtung erfolgt. Die im Vorherigen beschriebene Steuerung des Aktuators mittels der Steuerungsvorrichtung kann in analoger Weise für den weiteren Aktuator eingerichtet werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese zwei oder drei weitere Spiegelelemente umfasst, die derart angeordnet sind, dass der Laserstrahl vor dem ersten Spiegelelement in Laserstrahlrichtung und hinter dem letzten der vier Spiegelelemente in Laserstrahlrichtung im Wesentlichen koaxial ausgerichtet ist. Eine solche Spiegelvorrichtung ist insbesondere nachrüstbar ausgebildet, sodass diese in bestehende Fertigungssysteme einbaubar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend eine Lasereinheit zur Emission eines Laserstrahls und eine Spiegelvorrichtung nach einer der im vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Festkörperlaser oder CO2-Laser sein. Ferner sind jegliche weitere für die laserstrahlbasierte Fertigung geeignete Laser einsetzbar. Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Faserlaser sein oder diesen umfassen. Die Lasereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass der emittierte Laserstrahl eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist. Die Lasereinheit weist ferner vorzugsweise eine Leistung zwischen 400 W und 1000 W auf.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Fertigungssystems umfasst einen Kollimationsbereich, in dem der Laserstahl im Wesentlichen kollimiert ist, wobei die Spiegelvorrichtung in dem Kollimationsbereich, insbesondere zwischen einer Kollimatoreinheit und einer Fokussiereinheit, angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass dieses einen Laserscanner umfasst, wobei die Steuerungsvorrichtung mit dem Laserscanner signaltechnisch gekoppelt ist und das erste Spiegelelement in Abhängigkeit einer von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung des Laserstrahls steuert.
Das Fertigungssystem ist vorzugsweise eine Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere zum Laserstrahlschmelzen, zum selektiven Laserschmelzen, zum Laserstrahlschneiden, zum Laserstrahlschweißen und/oder zum Laserstrahlabtragen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur laserstrahlbasierten Fertigung eines Bauteils mit einem mit einer Vorschubbewegung in einer Arbeitsebene bewegbaren Laserstrahl, umfassend den Schritt: Ansteuern eines mit einem ersten Spiegelelement gekoppelten Aktuators, wobei das Spiegelelement zum Umlenken des Laserstrahls angeordnet ist, derart, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine erste Überlagerungsbewegung ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung überlagert.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst den Schritt: Kippen des ersten Spiegelelements um eine erste Kippachse, insbesondere Bewegen des ersten Spiegelelements zwischen einer ersten Kippendstellung und einer zweiten Kippendstellung. Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Kippen des ersten Spiegelelements um eine zweite Kippachse.
Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Steuern und/oder Regeln einer Lasereinheit, insbesondere einer Laserleistung der Lasereinheit, basierend auf einem Temperatursignal, das eine Schmelzbadtemperatur eines Schmelzbades charakterisiert. Ferner kann die Laserleistung basierend auf einer Position des ersten Spiegelelements gesteuert und/oder geregelt werden. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Laserleistung basierend auf einer Geschwindigkeit des Laserstrahls in einer Arbeitsebene gesteuert und/oder geregelt wird. Dadurch können mittels der mit dem ersten Spiegelelement erzeugten Bewegungsbahn quasistationäre Intensitätsverteilungen erzeugt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Mehrfachbelichtung zur verdampfungsfreien Durchwärmung eines Materials zur Herbeiführung eines Wärmeleitungsschweißens erfolgt.
Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Steuern des Aktuators in Abhängigkeit der von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung Gemäß einem weiteren Aspekt für die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten auszuführen.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen der Spiegelvorrichtung verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung;
Fig. 2: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung; Fig. 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung;
Fig. 4: eine schematische Ansicht von beispielhaften Überlagerungsbewegungen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene; und
Fig. 5: ein schematisches Verfahren.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das in Fig. 1 gezeigte Fertigungssystem 1 umfasst eine Lasereinheit 18 zur Emission eines Laserstrahls 16, 24. Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Festkörperlaser oder CO2-Laser sein. Ferner sind jegliche weitere für die laserstrahlbasierte Fertigung geeignete Lasereinsetzbar. Der von der Lasereinheit 18 emittierte Laserstrahl trifft zunächst auf eine Kollimatoreinheit 20, der den Laserstrahl 16 kollimiert.
Der kollimierte Laserstrahl 16 trifft anschließend auf eine Spiegelvorrichtung 2. Innerhalb der Spiegelvorrichtung 2 trifft der kollimierte Laserstrahl 16 zunächst auf ein Spiegelelement 10, danach auf ein weiteres Spiegelelement 8 und anschließend auf ein erstes Spiegelelement 4.
Das erste Spiegelelement 4 ist bewegbar angeordnet. Insbesondere ist das erste Spiegelelement 4 angeordnet, um den Laserstrahl um zwei im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtete Achsen abzulenken. Das erste Spiegelelement 4 ist zum Umlenken des Laserstrahls 16 ausgebildet. Das erste Spiegelelement 4 ist mit einem Aktuator 6 gekoppelt. Der Aktuator 6 ist angeordnet und ausgebildet, um das erste Spiegelelement 4 derart zu bewegen, dass der im Folgenden noch näher erläuterte fokussierte Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 eine die Vorschubbewegung 36 überlagernde erste Überlagerungsbewegung 46 ausführt. Hierfür umfasst der Aktuator 6 vorzugsweise eine Vielzahl an
Piezoelementen, sodass sich das Spiegelelement 4 mit einer hohen Frequenz, beispielsweise zwei Kilohertz, um eine Kippachse hin- und herbewegt.
Von dem ersten Spiegelelement 4 wird der Laserstrahl 16 auf ein weiteres Spiegelelement 12 umgelenkt. Die Spiegelelemente 4, 8 bis 12 sind jeweils derart angeordnet, dass der Laserstrahl um 90 Grad umgelenkt wird. Da innerhalb der Spiegelvorrichtung 2 insgesamt vier Spiegelelemente 4, 8 bis 12 angeordnet sind, weist der Laserstrahl in Strahlrichtung vor der Spiegelvorrichtung 2 und hinter der Spiegelvorrichtung 2 die gleiche Ausrichtung auf.
Austretend aus der Spiegelvorrichtung 2 trifft der Laserstrahl auf eine Fokussiereinheit 22. Innerhalb der Fokussiereinheit 22 wird der kollimierte Laserstrahl 16 fokussiert, sodass ein fokussierter Laserstrahl 24 ausgebildet wird. Der fokussierte Laserstrahl 24 trifft auf einen Laserscanner 26. Der Laserscanner kann beispielsweise ein Galvanometerscanner sein.
Der Laserscanner 26 lenkt den fokussierten Laserstrahl 24 auf die Arbeitsebene 28. Vorzugsweise ist der Laserscanner 26 derart angeordnet und ausgebildet, dass der Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 24 im Wesentlichen in der Arbeitsebene 28 liegt.
Das Bewegen eines fokussierten Laserstrahls 24 in einer Arbeitsebene 28 mit einem Laserscanner 26 ist grundsätzlich bekannt. Nachteilig hieran war in der Vergangenheit, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene 28 derart fokussiert war, dass durch den punktuellen Energieeintrag und dem damit verbundenen steilen Temperaturgradienten Spannungsrisse innerhalb des erstarrten Materials auftraten. Hierdurch war die Materialauswahl für den Laserstrahlschmelzprozess limitiert. Darüber hinaus kam es bei bestimmten Materialien zu derartig hohen Temperaturen, dass einzelne Legierungsbestandteile verdampften und sich Poren in dem erstarrten Material ausbildeten. Diese Nachteile werden durch die Spiegelvorrichtung 2 verhindert. Durch das Hin- und Herbewegen des ersten Spiegelelements 4 mittels des Aktuators 6 kann der fokussierte Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 um einen vordefinierten Mittelpunkt hin- und herbewegt werden. Ferner kann dieser um den Mittelpunkt herum kreisen. Infolgedessen wird das Umfeld des vordefinierten Mittelpunktes vorgewärmt und ggf. auch nachgewärmt.
Die Spiegelvorrichtung 2 ermöglicht darüber hinaus eine Überwachung des Schmelzbades in der Arbeitsebene 28. Hierfür weist die Spiegelvorrichtung 2 eine Fotodiode 14 auf. Die Fotodiode 14 ist hinter dem als Teilerspiegel ausgebildeten Spiegelelement 8 angeordnet. Durch eine Reflektion von Strahlung des Schmelzbads, die den im Vorherigen beschriebenen Gang des Laserstrahls rückwärts durchläuft, trifft diese Strahlung auf die Fotodiode 14. Die Spiegelvorrichtung 2 umfasst darüber hinaus eine Steuerungsvorrichtung 50. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist mit der Fotodiode 14, dem Aktuator 6, der Lasereinheit 18 und dem Laserscanner 26 signaltechnisch gekoppelt. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist zur Steuerung des ersten Spiegelelements 4, der Lasereinheit 18, des Aktuators 6 sowie des Laserscanners 26 ausgebildet. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist eingerichtet, um den Aktuator 6 derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung 46 parallel und/oder orthogonal zu der Vorschubbewegung 36 ausgerichtet ist und/oder ein kreisförmiges, elliptisches und/oder schleifenförmiges erstes Bewegungsmuster aufweist.
Die Steuerungsvorrichtung 50 ist ferner vorzugsweise eingerichtet, um von der Fotodiode 14 ein eine Schmelzbadtemperatur des Schmelzbades charakterisierendes Temperatursignal zu empfangen und basierend auf dem Temperatursignal die Lasereinheit 18 zu steuern und/oderzu regeln. Hierfür ist die Steuerungsvorrichtung 50 mit der Lasereinheit 18 signaltechnisch gekoppelt. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 50 derart eingerichtet, dass sie die Laserleistung abhängig von einer Winkelstellung des Spiegelelements 4 und abhängig von einer aktuellen Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls in der Arbeitsebene 28 steuern kann. Die Beeinflussung der Laserleistung kann auch dadurch erfolgen, dass die Steuerungsvorrichtung 50 die Frequenz und/oder den duty-cycle des Laserstrahls variiert.
Fig. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Fertigungssystems 1. Der Aufbau der Spiegelvorrichtung 2 unterscheidet sich von dem im Vorherigen beschriebenen Aufbau dadurch, dass ein zweites Spiegelelement und ein zweiter Aktuator 32 vorgesehen sind. Mit dem zweiten Spiegelelement 30 kann eine zweite Überlagerungsbewegung 48 realisiert werden. Beispielsweise ist es somit möglich, dass der Laserstrahl 24 um den Mittelpunkt 34 eine unidirektionale und eine kreisende Bewegung ausführt. Die Fotodiode 14 ist hier hinter dem Spiegelelement 12 angeordnet, sodass das Spiegelelement 12 als Teilerspiegel ausgebildet ist. Die in Bezug auf Figur 1 beschriebene Steuerungsvorrichtung 50 kann in analoger Weise mit den erforderlichen Anpassungen in dem in Figur 2 gezeigten Fertigungssystem 1 vorgesehen werden. Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Fertigungssystems 1. Dieses Fertigungssystem weist eine Lasereinheit 18 und eine Kollimatoreinheit 20 zur Emission eines kollimierten Laserstrahls 16 auf. Die Spiegelvorrichtung 2 umfasst ein erstes Spiegelelement 4 und einen Aktuator 6. Der von dem ersten Spiegelelement 4 reflektierte kollimierte Laserstrahl 16 trifft auf den Laserscanner 26, der den kollimierten Laserstrahl 16 zu einer Planfeldlinse 27 umlenkt. Die
Planfeldlinse 27 fokussiert den Laserstrahl 16, sodass dieser fokussiert auf die Arbeitsebene 28 trifft. Fig. 4 zeigt mögliche Überlagerungsbewegungen 46, 48 in der Arbeitsebene 28 des fokussierten Laserstrahls 24. Die durchgehende Linie in der Mitte repräsentiert die durch den Arbeitsweg vordefinierte Position des Laserstrahls 24 zu einem Zeitpunkt ohne die Berücksichtigung der Überlagerungsbewegungen 46, 48. Diese Position würde sich einstellen, wenn keine Spiegelvorrichtung 2 eingesetzt wird. Der Laserstrahl 24 wird mit der Vorschubbewegung 36 entlang des vordefinierten Arbeitsweges bewegt. Diese Bewegung wird von den Überlagerungsbewegungen 46, 48 überlagert. Beispielsweise kann sich der Laserstrahl 24 stetig mit der ersten Überlagerungsbewegung 46 vor- und zurückbewegen, sodass sich dieser zwischen dem ersten Parallelendpunkt 42 und dem zweiten Parallelendpunkt 44 hin- und herbewegt. Die Parallelendpunkte 42, 44 werden mit dem fokussierten Laserstrahl 24 entlang der Vorschubbewegung 36 mitbewegt.
Alternativ oder ergänzend kann der Laserstrahl 24 auch mit einer zweiten Überlagerungsbewegung 48 bewegt werden, sodass der Laserstrahl 24 zwischen dem ersten Orthogonalendpunkt 38 und dem zweiten Orthogonalendpunkt 40 hin- und herbewegt wird. Infolgedessen wird das Umfeld des fokussierten Laserstrahls 24 vorerwärmt und/oder nacherwärmt. Dadurch kann die Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubbewegung 36 erhöht werden. Darüber hinaus entstehen keine oder weniger Poren in dem Material. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass mit einer derartigen Laserstrahlführung weniger Spannungsrisse im Material auftreten.
Fig. 5 zeigt ein schematisches Verfahren. In Schritt 100 wird der mit dem ersten Spiegelelement 4 gekoppelte Aktuator 6 angesteuert, wobei das erste Spiegelelement 4 zum Umlenken des Laserstrahls 16 angeordnet ist, derart, dass der Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 eine die Vorschubbewegung 36 überlagernde erste Überlagerungsbewegung 46 ausführt.
In Schritt 102 wird ein zweiter Aktuator 32 zur Bewegung eines zweiten Spiegelelements 30 angesteuert, sodass eine zweite Überlagerungsbewegung 48 ermöglicht wird. Die Schritte 100 und 102 werden vorzugsweise zeitparallel durchgeführt. In Schritt 104 wird basierend auf einem Temperatursignal die Lasereinheit 18 gesteuert. Die Laserleistung wird darüber hinaus in Abhängigkeit einer Position des Laserstrahls in der Arbeitsebene und einer Geschwindigkeit des Laserstrahls in der Arbeitsebene gesteuert und/oder geregelt.
Die Steuerungsvorrichtung 50 ist vorzugsweise mit einer Steuerung für den Laserscanner 26 signaltechnisch gekoppelt, sodass die Orientierung der Kippspiegelbewegung mit der aktuellen Bewegungsrichtung des Laserscanners 26 synchronisierbar ist.
Wenn der Temperatursensor 14 hinter dem Spiegelelement 12 angeordnet ist, ist es bevorzugt, dass der Temperatursensor als Thermokamera ausgebildet ist, um in vorteilhafterweise die Temperaturverteilung in einem größeren Bereich zu erfassen. Die im Vorherigen beschriebene Fotodiode und die Thermokamera weisen vorzugsweise ein im Wesentlichen gleich ausgebildetes Sichtfeld auf.
BEZUGSZEICHEN
1 Fertigungssystem
2 Spiegelvorrichtung
4 erstes Spiegelelement 6 Aktuator
8 Spiegelelement 10 Spiegelelement 12 Spiegelelement 14 Fotodiode 16 kollimierter Laserstrahl 18 Lasereinheit 20 Kollimatoreinheit 22 Fokussiereinheit 24 fokussierter Laserstrahl 26 Laserscanner
27 Planfeldlinse
28 Arbeitsebene 30 zweites Spiegelelement 32 Aktuator 34 Mittelpunkt Laserstrahl
36 Vorschubbewegung 38 erster Orthogonalendpunkt
40 zweiter Orthogonalendpunkt
42 erster Parallelendpunkt zweiter Parallelendpunkt erste Überlagerungsbewegung zweite Überlagerungsbewegung
Steuerungsvorrichtung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Spiegelvorrichtung (2) für ein Fertigungssystem (1) zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend ein bewegbar angeordnetes erstes Spiegelelement (4) zum Umlenken eines Laserstrahls (16, 24), der mit einer Vorschubbewegung (36) in einer Arbeitsebene (28) bewegbar ist, und einen mit dem ersten Spiegelelement (4) gekoppelten Aktuator (6), wobei der Aktuator (6) angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement (4) derart zu bewegen, dass der Laserstrahl (16, 24) in der Arbeitsebene (28) eine erste Überlagerungsbewegung (46) ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung (36) überlagert.
2. Spiegelvorrichtung (2) nach Anspruch 1, wobei die erste Überlagerungsbewegung (46) eine erste Bewegungsdistanz aufweist, - die zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, beträgt, und/oder die weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 500 pm, vorzugsweise weniger als 100 pm, beträgt.
3. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der
Aktuator (6) angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement (4) derart zu bewegen, dass sich eine quasistationäre Intensitätsverteilung einstellt, und/oder um das erste Spiegelelement (4) mit einer Frequenz von mehr als 0,5 kHz, vorzugsweise mehr als 1 kHz, ferner vorzugsweise mehr als 1 ,5 kHz, insbesondere mehr als 2 kHz, zu bewegen.
4. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Spiegelelement (4) kippbar um eine erste Kippachse angeordnet und vorzugsweise derart mit dem Aktuator (6) gekoppelt ist, dass der Aktuator (6) das erste Spiegelelement (4) zwischen einer ersten Kippendstellung und einer zweiten Kippendstellung bewegt, insbesondere hin- und herbewegt, und vorzugsweise das erste Spiegelelement (4) kippbar um eine zweite Kippachse angeordnet ist, wobei die zweite Kippachse im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Kippachse ausgerichtet ist.
5. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der
Aktuator (6) ein Piezoelement ist oder diesen umfasst.
6. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend einen Sensor (14), insbesondere eine Fotodiode und/oder eine Thermokamera, zur Erfassung einer Schmelzbadtemperatur eines
Schmelzbades, und vorzugsweise einen im Strahlengang des Laserstrahls (16, 24) angeordneten Teilerspiegel (8, 12), der den Laserstrahl (16, 24) reflektiert und eine vom Schmelzbad reflektierte Strahlung transmittiert, wobei der Sensor (14) und der T eilerspiegel (8, 12) derart angeordnet sind, dass der Sensor (14) die transmittierte, reflektierte Strahlung erfasst.
7. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend - ein bewegbar angeordnetes zweites Spiegelelement (30), wobei der
Aktuator (6) und/oder ein weiterer Aktuator (32) angeordnet und ausgebildet ist bzw. sind, um das zweite Spiegelelement (30) derart zu bewegen, dass der Laserstrahl (16, 24) in der Arbeitsebene (28) eine die Vorschubbewegung (36) überlagernde zweite Überlagerungsbewegung (48) ausführt, wobei vorzugsweise die erste Überlagerungsbewegung (46) ein von der zweiten Überlagerungsbewegung (48) verschiedenes erstes Bewegungsmuster aufweist.
8. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Steuerungsvorrichtung (50) zur Steuerung des ersten Spiegelelements (4), des zweiten Spiegelelements (30) und/oder des Aktuators (6).
9. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungsvorrichtung (50) eingerichtet ist, um den Aktuator (6) derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung (46) und/oder die zweite Überlagerungsbewegung (48) - parallel zu der Vorschubbewegung (36) ausgerichtet ist bzw. sind, und/oder orthogonal zu der Vorschubbewegung (36) ausgerichtet ist bzw. sind, und/oder ein kreisförmiges, elliptisches und/oder schleifenförmiges erstes Bewegungsmuster und/oder zweites Bewegungsmuster aufweist.
10. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuerungsvorrichtung (50) eingerichtet ist, um von dem Sensor (14) ein die Schmelzbadtemperatur des Schmelzbades charakterisierendes Temperatursignal zu empfangen und basierend auf dem Temperatursignal eine Lasereinheit (18), insbesondere eine Laserleistung, zu steuern und/oder zu regeln, und/oder die Steuerungsvorrichtung (50) eingerichtet ist, um den Aktuator (6) derart zu steuern, dass eines der Spiegelelemente (4, 30) mit einer im Wesentlichen translatorischen Bewegung und das andere
Spiegelelement mit einer im Wesentlichen rotatorischen Bewegung bewegt wird.
11. Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Steuerungsvorrichtung (50) mit einem Laserscanner (26) signaltechnisch koppelbar ist und die Steuerungsvorrichtung (50) eingerichtet ist, den Aktuator (6) in Abhängigkeit der von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung (36) des Laserstrahls (16, 24) zu steuern.
12. Fertigungssystem (1) zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend eine Lasereinheit (18) zur Emission eines Laserstrahls (16, 24), und eine Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1- 11.
13. Fertigungssystem (1) nach dem vorherigen Anspruch 12, umfassend einen Kollimationsbereich, in dem der Laserstrahl (16) im Wesentlichen kollimiert ist, wobei die Spiegelvorrichtung (2) in dem Kollimationsbereich, insbesondere zwischen einer Kollimatoreinheit (20) und einer
Fokussiereinheit (22), angeordnet ist.
14. Verfahren zur laserstrahlbasierten Fertigung eines Bauteils mit einem mit einer Vorschubbewegung (36) in einer Arbeitsebene (28) bewegbaren Laserstrahl (16, 24), insbesondere mit einer Spiegelvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-11, umfassend den Schritt:
Ansteuern eines mit einem ersten Spiegelelement (4) gekoppelten Aktuators (6), wobei das erste Spiegelelement (4) zum Umlenken des Laserstrahls (16, 24) angeordnet ist, derart, dass der Laserstrahl (16, 24) in der Arbeitsebene (28) eine erste Überlagerungsbewegung (46) ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung (36) überlagert.
15. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 14 auszuführen.
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