DE102020107800A1 - MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Fertigungsvorrichtung (10) zur additiven Fertigung eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial aufgezeigt, wobei die Fertigungsvorrichtung (10) eine Vielzahl (20) von Lichtquellen (25) zum Abstrahlen jeweils eines Lichtstrahls (30), eine Steuervorrichtung (15) zum einzelnen Anschalten und Abschalten der Lichtquellen (25), ein Verstärkermedium zum Verstärken der Lichtstrahlen (30) der Lichtquellen (25) zum Erzeugen von Laserstrahlen (90), wobei das Verstärkermedium von einer Pumpquelle (80, 81) pumpbar ist, und eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Laserstrahlen (90) über das Ausgangsmaterial zum Sintern und/oder Schmelzen des Ausgangsmaterials umfasst, wobei die Vielzahl (20) von Lichtquellen (25) in einem regelmäßigen Muster, insbesondere in Reihen und Spalten, angeordnet sind.A manufacturing device (10) for the additive manufacturing of an object from a starting material is shown, the manufacturing device (10) having a plurality (20) of light sources (25) for each emitting a light beam (30), a control device (15) for switching on individually and switching off the light sources (25), an amplifier medium for amplifying the light beams (30) of the light sources (25) for generating laser beams (90), the amplifier medium being pumpable by a pump source (80, 81), and a movement device for moving the Laser beams (90) over the starting material for sintering and / or melting the starting material, wherein the plurality (20) of light sources (25) are arranged in a regular pattern, in particular in rows and columns.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung eines Objekts und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts.The invention relates to a manufacturing device for additive manufacturing of an object and a method for additive manufacturing of an object.
Stand der TechnikState of the art
Für den Hochgeschwindigkeits-3D-Druck wird eine hochenergetische Multifokus-Laservorrichtung benötigt, die in einem engmaschigen Raster ein Bündel von mehr als hundert Laserstrahlen mit einer Leistung bis zu 500 W Leistung pro Strahl oder bis zu 1000 W Leistung pro Strahl auf das Ausgangsmaterial strahlt. Laserstrahlung ist notwendig aufgrund der notwendigen Kohärenz, damit sich die einzelnen Laserstrahlen auf einen beugungsbegrenzten Spot vom Durchmesser ∼λ/( numerische Apertur) fokussieren lassen. Die Laserstrahlen müssen individuell bzw. einzeln anschaltbar und ausschaltbar sein. Damit scheidet ein einfacher fan-out eines hochenergetischen Laserstrahls aus, da sich darin die Einzelstrahlen nicht individuell bzw. einzeln adressieren bzw. schalten lassen.For high-speed 3D printing, a high-energy multifocus laser device is required that radiates a bundle of more than a hundred laser beams with a power of up to 500 W per beam or up to 1000 W per beam onto the source material in a close-meshed grid. Laser radiation is necessary because of the necessary coherence so that the individual laser beams can be focused on a diffraction-limited spot with a diameter ∼λ / (numerical aperture). The laser beams must be able to be switched on and off individually or individually. This means that a simple fan-out of a high-energy laser beam is ruled out, since the individual beams cannot be addressed or switched individually or individually.
Ein VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ist eine Laserdiode, bei der das Licht senkrecht zur Ebene des Halbeiterchips abgestrahlt wird. Der VCSEL ist eine oberflächenemittierende Laserdiode mit Vertikalresonator. Die Verwendung von einer Vielzahl von VCSEL zum Strahlen von Laserstrahlen auf ein Ausgangsmaterial zum additiven Herstellen eines Objekts gemäß dem Stand der Technik hat jedoch den Nachteil, dass ein VCSEL nur eine Leistung im Bereich von einigen Milliwatt bis wenigen Dutzend Milliwatt aufweist. Dies ist für ein Lasersintern bzw. Laserschmelzen eines Ausgangsmaterials nicht ausreichend.A VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) is a laser diode in which the light is emitted perpendicular to the plane of the semiconductor chip. The VCSEL is a surface-emitting laser diode with a vertical resonator. However, the use of a plurality of VCSELs for irradiating laser beams onto a starting material for the additive manufacturing of an object according to the prior art has the disadvantage that a VCSEL only has a power in the range from a few milliwatts to a few dozen milliwatts. This is not sufficient for laser sintering or laser melting of a starting material.
Eine Alternative ist ein Laserdiodenstack umfassend einen Stapel von Laserdiodenbarren, wobei jeder Laserdiodenbarren wiederum aus einem linearen Array von kantenemittierenden Laserdioden besteht. Jeder Laserdiode weist eine Leistung von einigen Watt auf. Nachteilig hieran ist, dass die 10-20 Einzelemitter des Laserdiodenbarrens einen Laserstrahl emittieren, der typischerweise in einer Richtung (sogenannte fast axis) einen Abstrahlwinkel von ca. 40° und in der anderen Richtung (slow axis) einen Abstrahlwinkel von ca. 12° aufweist. Diese elliptische Abstrahlcharakteristik ist typisch für Kantenemitter und muss durch eine astigmatische Mikrooptik korrigiert werden. Bei der Verwendung eines Laserdiodenstacks wird die Mikrooptik technisch sehr aufwendig. Zudem ist der Laserdiodenstack mit der Mikrooptik sehr teuer, so dass eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung eines Objekts sehr teuer ist.An alternative is a laser diode stack comprising a stack of laser diode bars, each laser diode bar in turn consisting of a linear array of edge-emitting laser diodes. Each laser diode has a power of a few watts. The disadvantage here is that the 10-20 individual emitters of the laser diode bar emit a laser beam that typically has a radiation angle of approx. 40 ° in one direction (so-called fast axis) and a radiation angle of approx. 12 ° in the other direction (slow axis) . This elliptical radiation characteristic is typical for edge emitters and has to be corrected by astigmatic micro-optics. When using a laser diode stack, the micro-optics are technically very complex. In addition, the laser diode stack with the micro-optics is very expensive, so that a manufacturing device for additive manufacturing of an object is very expensive.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial mittels Lasersintern und/oder Laserschmelzen bzw. ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial mittels Lasersintern und/oder Laserschmelzen aufzuzeigen, die bzw. das technisch einfach ist und kostengünstig ist.The invention is based on the object of providing a manufacturing device for the additive manufacturing of an object from a starting material by means of laser sintering and / or laser melting or a method for the additive manufacturing of an object from a starting material by means of laser sintering and / or laser melting, which is technically simple is and is inexpensive.
Diese Aufgabe wird durch eine Fertigungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.This object is achieved by a manufacturing device according to claim 1 and a method according to claim 14.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Fertigungsvorrichtung zur additiven Fertigung eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial gelöst, wobei die Fertigungsvorrichtung eine Vielzahl von Lichtquellen zum Abstrahlen jeweils eines Lichtstrahls, eine Steuervorrichtung zum einzelnen Anschalten und Abschalten der Lichtquellen, ein Verstärkermedium zum Verstärken der Lichtstrahlen der Lichtquellen zum Erzeugen von Laserstrahlen, wobei das Verstärkermedium von einer Pumpquelle pumpbar ist, und eine Bewegungsvorrichtung zum Bewegen der Laserstrahlen über das Ausgangsmaterial zum Sintern und/oder Schmelzen des Ausgangsmaterials umfasst.In particular, the object is achieved by a manufacturing device for additive manufacturing of an object from a starting material, the manufacturing device generating a plurality of light sources for each emitting a light beam, a control device for individually switching the light sources on and off, and an amplifier medium for amplifying the light beams of the light sources of laser beams, wherein the amplifier medium can be pumped by a pump source, and comprises a movement device for moving the laser beams over the starting material for sintering and / or melting the starting material.
Die Laserstrahlung unterscheidet sich hierbei von den Lichstrahlen dadurch, dass sie durch eine hohe zeitliche und räumliche Kohärenz gut gebündelt und fokussiert werden kann.The laser radiation differs from the light rays in that it can be bundled and focused well thanks to its high temporal and spatial coherence.
Ein Vorteil hiervon ist, dass die Fertigungsvorrichtung technisch einfach ausgebildet ist. Insbesondere wird keine aufwendige Mikrooptik zum Umleiten bzw. Sammeln der Lichtstrahlen der Lichtquellen von der Verstärkung benötigt. Zudem ist die Fertigungsvorrichtung kostengünstig herstellbar, insbesondere da die Lichtquellen sehr kostengünstig sein können. Zudem kann die Fertigungsvorrichtung sehr fein strukturierte Objekte herstellen, da die Laserstrahlen einzeln eingeschaltet und ausgeschaltet werden können. Darüber hinaus kann die additive Fertigung des Objekts mittels der Fertigungsvorrichtung sehr schnell bzw. mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass sehr hohe Aufbauraten erreicht werden können. Das Verstärkermedium ist üblicherweise nicht identisch mit bzw. Teil der Lichtquelle, sondern das Verstärkermedium ist typischerweise beabstandet zu der Lichtquelle angeordnet.One advantage of this is that the manufacturing device is designed to be technically simple. In particular, no complex micro-optics are required for diverting or collecting the light beams from the light sources from the amplification. In addition, the manufacturing device can be manufactured inexpensively, in particular since the light sources can be very inexpensive. In addition, the production device can produce very finely structured objects, since the laser beams can be switched on and off individually. In addition, the additive manufacturing of the object can be carried out very quickly or at high speed by means of the manufacturing device. This means that very high build-up rates can be achieved. The amplifier medium is usually not identical to or part of the light source, but rather the amplifier medium is typically arranged at a distance from the light source.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial mittels Lasersintern und/oder Laserschmelzen gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer Vielzahl von Lichtstrahlen mittels einer Vielzahl von Lichtquellen zum Abstrahlen jeweils eines Lichtstrahls, wobei die Lichtquellen mittels eines Steuergeräts einzeln anschaltbar und ausschaltbar ist; Pumpen eines Verstärkermediums zum Verstärken der Lichtstrahlen der Lichtquellen, wobei das Verstärkermedium mittels eines Pumpstrahls einer Pumpquelle gepumpt wird; Verstärken der Lichtstrahlen mittels des Verstärkermediums zum Erzeugen von Laserstrahlen; und Strahlen der verstärkten Laserstrahlen auf das Ausgangsmaterial zum Lasersintern und/oder Laserschmelzen des Ausgangsmaterials.In particular, the object is achieved by a method for the additive manufacture of an object from a starting material by means of laser sintering and / or laser melting, the method comprising the following steps: generating a plurality of light beams by means of a plurality of light sources for emitting one light beam each, wherein the light sources can be switched on and off individually by means of a control device; Pumping an amplifier medium for amplifying the light beams of the light sources, wherein the amplifier medium is pumped by means of a pump beam of a pump source; Amplifying the light beams by means of the amplifying medium to generate laser beams; and irradiating the amplified laser beams onto the starting material for laser sintering and / or laser melting the starting material.
Vorteilhaft an diesem Verfahren ist, dass das Verfahren technisch einfach ausführbar ist bzw. mit einer technisch einfachen Fertigungsvorrichtung ausführbar ist. Insbesondere wird keine aufwendige Mikrooptik zum Umleiten bzw. Sammeln der Lichtstrahlen der Lichtquellen von der Verstärkung benötigt. Darüber hinaus kann das Verfahren mit einer kostengünstig herstellbaren Fertigungsvorrichtung durchgeführt werden, insbesondere da die Lichtquellen sehr kostengünstig sein können. Mittels des Verfahrens können sehr fein strukturierte Objekte hegestellt werden, da die Laserstrahlen einzeln eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Auch kann mittels des Verfahrens sehr schnell bzw. mit hoher Geschwindigkeit das Objekt additiv gefertigt werden. Dies bedeutet, dass sehr hohe Aufbauraten erreicht werden können. Das Verstärkermedium ist üblicherweise nicht identisch mit bzw. Teil der Lichtquelle, sondern das Verstärkermedium ist typischerweise beabstandet zu der Lichtquelle angeordnet.The advantage of this method is that the method can be carried out in a technically simple manner or can be carried out with a technically simple production device. In particular, no complex micro-optics are required for diverting or collecting the light beams from the light sources from the amplification. In addition, the method can be carried out with a manufacturing device that can be manufactured inexpensively, in particular since the light sources can be very inexpensive. Using the method, very finely structured objects can be created, since the laser beams are switched on and off individually. The object can also be additively manufactured very quickly or at high speed by means of the method. This means that very high build-up rates can be achieved. The amplifier medium is usually not identical to or part of the light source, but rather the amplifier medium is typically arranged at a distance from the light source.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung sind die Vielzahl von Lichtquellen in einem regelmäßigen Muster, insbesondere in Reihen und Spalten, angeordnet. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangsmaterial besonders gleichmäßig bearbeitet werden kann.According to one embodiment of the production device, the multiplicity of light sources are arranged in a regular pattern, in particular in rows and columns. The advantage here is that the starting material can be processed particularly uniformly.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfassen die Lichtquellen Leuchtdioden. Vorteilhaft hieran ist, dass die Leuchtdioden besonders kostengünstig und langlebig sind. Die Leuchtdioden können insbesondere keine Laser-Leuchtdioden sein.According to one embodiment of the production device, the light sources comprise light-emitting diodes. The advantage here is that the light-emitting diodes are particularly inexpensive and have a long service life. In particular, the light-emitting diodes cannot be laser light-emitting diodes.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfassen die Lichtquellen oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL). Ein Vorteil hiervon ist, dass der Anteil des Lichts der Lichtquelle, das durch das Verstärkermedium zu einem verstärkten Laserstrahl verstärkt wird, sehr hoch ist. Zudem ist das Licht der Lichtquelle bereits kohärent. Somit muss das Licht nur mäßig von dem Verstärkermedium verstärkt werden.According to one embodiment of the manufacturing device, the light sources comprise surface emitting laser diodes (VCSEL). One advantage of this is that the proportion of the light from the light source that is amplified by the amplifying medium to form an amplified laser beam is very high. In addition, the light from the light source is already coherent. Thus, the light only needs to be amplified moderately by the amplifying medium.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfasst das Verstärkermedium eine von den Lichtstrahlen gemeinsam genutzte Platte. Vorteilhaft hieran ist, dass die Fertigungsvorrichtung technisch besonders einfach aufgebaut ist.According to one embodiment of the manufacturing device, the amplifier medium comprises a plate shared by the light beams. The advantage of this is that the manufacturing device has a particularly simple technical structure.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfasst das Verstärkermedium mehrere entlang der Strahlrichtung der Lichtstrahlen der Lichtquellen zueinander beabstandete Verstärkungselemente. Vorteilhaft hieran ist, dass das Verstärkermedium und somit die Fertigungsvorrichtung technisch besonders einfach ausgebildet ist. Vorteilhaft hieran ist, dass das Verstärkermedium besonders effizient gekühlt werden kann. Dies erhöht die Lebensdauer der Fertigungsvorrichtung.According to one embodiment of the manufacturing device, the amplifier medium comprises a plurality of reinforcement elements spaced apart from one another along the beam direction of the light beams of the light sources. The advantage of this is that the amplifier medium and thus the manufacturing device are designed to be particularly simple from a technical point of view. The advantage here is that the amplifier medium can be cooled particularly efficiently. This increases the service life of the manufacturing device.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung weist zumindest ein Teil der Verstärkungselemente zueinander unterschiedliche Dotierungsdichten auf. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Licht der Lichtquellen mehrstufig verstärkt wird. Somit kann die Dotierungsdichte an den jeweiligen Verstärkungsgrad des jeweiligen Verstärkungselements angepasst sein. Somit kann die Effizienz der Verstärkung besonders hoch sein.According to one embodiment of the manufacturing device, at least some of the reinforcing elements have doping densities that differ from one another. One advantage of this is that the light from the light sources is amplified in several stages. The doping density can thus be adapted to the respective degree of reinforcement of the respective reinforcement element. The efficiency of the amplification can thus be particularly high.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfasst das Verstärkermedium eine Vielzahl von Verstärkungselementen, wobei die Verstärkungselemente zum Verstärken jeweils eines einzelnen Lichtstrahls einer Lichtquelle ausgebildet sind. Vorteilhaft hieran ist, dass das Entstehen einer inhomogenen Temperaturverteilung in dem Verstärkermedium durch das unterschiedliche Anschalten und Abschalten der einzelnen Lichtquellen, die bei einem gemeinsamen Verstärkermedium für die Lichtstrahlen auftreten kann und die Qualität der Laserstrahlen negativ beeinflussen kann, sicher vermieden wird.According to one embodiment of the manufacturing device, the amplifier medium comprises a multiplicity of reinforcement elements, the reinforcement elements each being designed to amplify an individual light beam from a light source. The advantage here is that the occurrence of an inhomogeneous temperature distribution in the amplifier medium due to the different switching on and off of the individual light sources, which can occur with a common amplifier medium for the light beams and can negatively influence the quality of the laser beams, is reliably avoided.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist die Fertigungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die Verstärkungselemente jeweils mit einem einzelnen Pumpstrahl, insbesondere, optisch pumpbar sind. Vorteilhaft hieran ist, dass keine gemeinsame Pumpquelle benötigt wird. Somit können die einzelnen Verstärkungselemente technisch besonders effektiv gepumpt werden.According to one embodiment of the manufacturing device, the manufacturing device is designed in such a way that the reinforcing elements can each be pumped with a single pump beam, in particular optically. The advantage here is that no common pump source is required. In this way, the individual reinforcement elements can be pumped particularly effectively from a technical point of view.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfasst die Fertigungsvorrichtung eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Verstärkermediums mittels eines Fluids. Hierdurch kann das Verstärkermedium technisch einfach gekühlt werden. Somit wird auch bei einem längeren Betrieb der Fertigungsvorrichtung eine zu starke Erwärmung des Verstärkermediums sicher verhindert. Dies erhöht die Lebensdauer des Verstärkermediums.According to one embodiment of the manufacturing device, the manufacturing device comprises a cooling device for cooling the amplifier medium by means of a fluid. In this way, the amplifier medium can be cooled in a technically simple manner. In this way, excessive heating of the amplifier medium is reliably prevented even when the production device is operated for a longer period of time. This increases the life of the amplifier medium.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung umfasst das Verstärkermedium einen Kristall mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und/oder einen Kristall mit Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG). Vorteilhaft hieran ist, dass die Lichtquellen besonders effektiv zu Laserstrahlen verstärkt werden können. Zudem ist das Verstärkermedium kostengünstig.According to one embodiment of the manufacturing device, the amplifier medium comprises a crystal with neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG) and / or a crystal with ytterbium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG). The advantage here is that the light sources can be amplified particularly effectively to form laser beams. In addition, the amplifier medium is inexpensive.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist eine Oberfläche des Verstärkermediums, durch die die Lichtstrahlen in das Verstärkermedium eintreten oder austreten, nicht senkrecht zu der Richtung der Lichtstrahlen angeordnet. Ein Vorteil hiervon ist, dass unerwünschte Reflexionen der Lichtstrahlen technisch einfach vermieden werden.According to one embodiment of the manufacturing device, a surface of the amplifier medium through which the light beams enter or exit the amplifier medium is not arranged perpendicular to the direction of the light beams. One advantage of this is that undesirable reflections of the light rays can be avoided in a technically simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist eine Oberfläche des Verstärkermediums, durch die die Lichtstrahlen in das Verstärkermedium eintreten oder austreten, mit einer Anti-Reflexionsschicht beschichtet. Ein Vorteil hiervon ist, dass unerwünschte Reflexionen der Lichtstrahlen technisch einfach vermieden werden.According to one embodiment of the manufacturing device, a surface of the amplifier medium through which the light rays enter or exit the amplifier medium is coated with an anti-reflection layer. One advantage of this is that undesirable reflections of the light rays can be avoided in a technically simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung ist zwischen den Lichtquellen und dem Verstärkermedium optische Elemente zum Kollimieren und/oder Aufweiten des jeweiligen Lichtstrahls angeordnet. Hierdurch wird eine zu große räumliche Intensitätsdichte in dem Verstärkermedium sicher vermieden. Dies erhöht die Lebensdauer des Verstärkermediums. Zudem werden die Lichtstrahlen technisch einfach ausgerichtet.According to one embodiment of the manufacturing device, optical elements for collimating and / or expanding the respective light beam are arranged between the light sources and the amplifier medium. In this way, too great a spatial intensity density in the amplifier medium is reliably avoided. This increases the life of the amplifier medium. In addition, the light beams are simply aligned in a technically simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die verstärkten Laserstrahlen in einem regelmäßigen Muster, insbesondere in Reihen und Spalten, auf das Ausgangsmaterial gestrahlt. Durch dieses Verfahren kann das Ausgangsmaterial besonders gleichmäßig bearbeitet werden.According to one embodiment of the method, the amplified laser beams are radiated onto the starting material in a regular pattern, in particular in rows and columns. This process enables the raw material to be processed particularly evenly.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Lichtquellen Leuchtdioden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Verfahren mittels einer besonders kostengünstigen Fertigungsvorrichtung durchführbar ist, da die Leuchtdioden besonders kostengünstig und langlebig sind. Die Leuchtdioden können insbesondere keine Laser-Leuchtdioden sein.According to one embodiment of the method, the light sources comprise light-emitting diodes. One advantage of this is that the method can be carried out by means of a particularly cost-effective manufacturing device, since the light-emitting diodes are particularly cost-effective and have a long service life. In particular, the light-emitting diodes cannot be laser light-emitting diodes.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die Lichtquellen oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL). Vorteilhaft hieran ist, dass bei diesem Verfahren der Anteil des Lichts der Lichtquelle, das durch das Verstärkermedium zu einem verstärkten Laserstrahl verstärkt wird, sehr hoch ist. Zudem ist bei diesem Verfahren das Licht der Lichtquelle bereits kohärent. Folglich muss das Licht nur mäßig von dem Verstärkermedium verstärkt werden.According to one embodiment of the method, the light sources comprise surface emitting laser diodes (VCSEL). The advantage of this is that in this method the proportion of the light from the light source that is amplified by the amplifying medium to form an amplified laser beam is very high. In addition, with this method the light from the light source is already coherent. As a result, the light only needs to be moderately amplified by the amplifying medium.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Lichtstrahlen mittels zwischen den Lichtquellen und dem Verstärkermedium angeordneter optischer Elemente kollimiert und/oder aufgeweitet. Vorteilhaft hieran ist, dass eine zu große räumliche Intensitätsdichte in dem Verstärkermedium sicher vermieden wird. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer des Verstärkermediums. Darüber hinaus werden die Lichtstrahlen technisch einfach ausgerichtet. According to one embodiment of the method, the light beams are collimated and / or expanded by means of optical elements arranged between the light sources and the amplifier medium. The advantage here is that an excessive spatial intensity density in the amplifier medium is reliably avoided. This increases the service life of the amplifier medium. In addition, the light beams are simply aligned in a technically simple manner.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die verstärkten Laserstrahlen nach dem Durchlaufen des Verstärkermediums auf ein zweites Verstärkermedium zum erneuten Verstärken der Laserstrahlen gestrahlt werden. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Verstärkermedium besonders effizient gekühlt wird. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer der Fertigungsvorrichtung beim Durchführen dieses Verfahrens.According to one embodiment of the method, after passing through the amplifier medium, the amplified laser beams are radiated onto a second amplifier medium in order to amplify the laser beams again. One advantage of this is that the amplifier medium is cooled particularly efficiently. This increases the service life of the manufacturing device when this method is carried out.
Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Idee zu Grunde, das Licht einer Vielzahl von einzeln schaltbaren kostengünstigen Lichtquellen mittels mindestens eines Verstärkungselements zu Laserstrahlen zu verstärken und mit den Laserstrahlen das Ausgangsmaterial zu lasersintern (engl. selective laser sintering, SLS) und/oder zu laserschmelzen (engl. selective laser melting, SLM) und auf diese Weise additiv ein Objekt zu fertigen. Die Laserstrahlen können auf dem Ausgangsmaterial typischerweise einen jeweils vorgegebenen festen Abstand zueinander aufweisen, d.h. die Position der Laserstrahl relativ zueinander ist üblicherweise nicht veränderbar. Die Fertigungsvorrichtung kann eine sogenannte Multi-Fokus-Fertigungsvorrichtung sein.In other words, the invention is based on the idea of amplifying the light from a large number of individually switchable, inexpensive light sources into laser beams by means of at least one reinforcement element and of laser-sintering (selective laser sintering, SLS) and / or laser melting the starting material with the laser beams (selective laser melting, SLM) and additively to manufacture an object in this way. The laser beams can typically have a predetermined fixed distance from one another on the starting material, i.e. the position of the laser beams relative to one another cannot usually be changed. The manufacturing device can be a so-called multi-focus manufacturing device.
Die Vielzahl von Lichtquellen kann beispielsweise 100, 1000, 2000, 5000 oder 10.000 betragen.The multiplicity of light sources can be 100, 1000, 2000, 5000 or 10,000, for example.
Das regelmäßige Muster, gemäß dem die Lichtquellen bzw. die Laserstrahlen angeordnet sein können, kann u.a. eine Art Matrix mit Reihen und senkrecht zu den Reihen verlaufenden Spalten (sozusagen ein Schachbrettmuster, wobei mittig in jedem Quadrat eine Lichtquelle bzw. ein Laserstrahl angeordnet ist) oder eine Kreisfläche mit mehreren konzentrischen Kreisen, wobei die Lichtquellen auf den Kreisen angeordnet sind und die Kreise äquidistant zueinander angeordnet sind, sein, oder eine spiralförmige Anordnung z.B. in Form einer Cornu-Spirale bzw. Klothoide sein. Vorstellbar ist jedoch auch, dass die Lichtquellen bzw. Laserstrahlen unregelmäßig angeordnet sind.The regular pattern according to which the light sources or the laser beams can be arranged can include a type of matrix with rows and columns running perpendicular to the rows (a checkerboard pattern, so to speak, with a light source or a laser beam arranged in the middle of each square) or a circular area with several concentric circles, the light sources being arranged on the circles and the circles being arranged equidistant from one another, or a spiral arrangement, for example in the form of a Cornu spiral or clothoid. However, it is also conceivable that the light sources or laser beams are arranged irregularly.
Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
-
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung; -
2 eine Detailansicht des Verstärkermediums der Fertigungsvorrichtung aus1 ; -
3 eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Verstärkermediums einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung; -
4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung; -
5 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung; -
6 eine Detailansicht des Verstärkermediums der Fertigungsvorrichtung aus5 ; und -
7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Verstärkermediums einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of the manufacturing device according to the invention; -
2 a detailed view of the amplifier medium of the manufacturing device1 ; -
3 a detailed view of a further embodiment of the amplifier medium of a manufacturing device according to the invention; -
4th a schematic representation of a second embodiment of the manufacturing device according to the invention; -
5 a schematic representation of a third embodiment of the manufacturing device according to the invention; -
6th a detailed view of the amplifier medium of the manufacturing device5 ; and -
7th a side view of a further embodiment of the amplifier medium of a manufacturing device according to the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.In the following description, the same reference numbers are used for parts that are the same and have the same effect.
Die drei in vertikaler Richtung übereinander angeordneten Punkte bzw. Kreise in den Zeichnungen sollen jeweils andeuten, dass eine nicht-dargestellte Vielzahl von weiteren jeweils gleichartigen Elementen wie die oberhalb von den Punkten bzw. Kreisen dargestellten Elemente vorhanden ist. So sind beispielsweise in
Die Fertigungsvorrichtung
Die Fertigungsvorrichtung
Die Lichtquellen
Denkbar ist jedoch auch, dass die Lichtquellen unregelmäßig bzw. chaotisch angeordnet sind.However, it is also conceivable that the light sources are arranged irregularly or chaotically.
Die Lichtquellen
Die Lichtquellen
Alternativ oder zusätzlich können die Lichtquellen
Es ist möglich, dass ein Teil der Lichtquellen
Die Lichtstrahlen
Nach den optischen Elementen
Das Verstärkermedium strahlt eine Vielzahl von verstärkten Laserstrahlen
Das Verstärkermedium kann einen Festkörperverstärker umfassen oder sein. Der Festkörperverstärker kann einen Kristall mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) (sogenanntes Nd:YAG) umfassen oder daraus bestehen. Möglich ist, dass das Verstärkermedium einen Kristall mit Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) (sogenanntes Yb:YAG) umfasst oder daraus besteht.The amplifier medium can comprise or be a solid state amplifier. The solid-state amplifier can comprise or consist of a crystal with neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG) (so-called Nd: YAG). It is possible that the amplifier medium comprises or consists of a crystal with ytterbium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG) (so-called Yb: YAG).
Die Dotierungsdichte des Verstärkermediums kann im Bereich von ca. 1 % liegen. Bei Nd:YAG kann die Materialdicke, gemessen entlang der Richtung des jeweiligen Lichtstrahls
Das Verstärkerelement
Die Laserstrahlen
Die Laserstrahlen
Die Kühlvorrichtung
Die Verstärkerelemente
Jedes der zwei Verstärkerelemente
Die Anzahl der hintereinander angeordneten bzw. hintereinander geschalteten Verstärkerstufen kann mehr als zwei, z.B. drei, vier, fünf, sechs oder mehr als sechs betragen.The number of amplifier stages arranged one behind the other or connected in series can be more than two, e.g. three, four, five, six or more than six.
Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Lichtstrahlen
Denkbar ist auch, dass zwei, drei oder vier Lichtquellen
Denkbar ist auch, dass für jede Lichtquelle
Bei räumlich zueinander beabstandeten Verstärkerelementen
Um das jeweilige Verstärkerelement
Die Fläche des jeweiligen Verstärkerelements
Die Laserstrahlen können insbesondere parallel zueinander über das Ausgangsmaterial bewegt werden.The laser beams can in particular be moved parallel to one another over the starting material.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- FertigungsvorrichtungManufacturing device
- 1515th
- SteuervorrichtungControl device
- 1717th
- SteuerleitungControl line
- 2020th
- Vielzahl von LichtquellenVariety of light sources
- 2525th
- LichtquelleLight source
- 3030th
- LichtstrahlBeam of light
- 4040
- Vielzahl von optischen ElementenVariety of optical elements
- 4545
- optisches Elementoptical element
- 5050
- EingangsstrahlInput beam
- 60-6260-62
- erstes Verstärkerelementfirst amplifier element
- 6565
- Vielzahl von ersten VerstärkerelementenVariety of first amplifier elements
- 7070
- zweites Verstärkerelementsecond amplifier element
- 80, 8180, 81
- PumpquellePump source
- 85, 8685, 86
- PumpstrahlPump jet
- 9090
- verstärkter Laserstrahlamplified laser beam
- 9595
- leicht verstärkter Laserstrahlslightly amplified laser beam
- 100100
- KühlvorrichtungCooling device
- 105, 106105, 106
- KühlmitteleinlassCoolant inlet
- 110, 111110, 111
- KühlmittelauslassCoolant outlet
Claims (19)
Priority Applications (1)
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| DE102020107800.5A DE102020107800A1 (en) | 2020-03-20 | 2020-03-20 | MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| DE102020107800.5A DE102020107800A1 (en) | 2020-03-20 | 2020-03-20 | MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT |
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-
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Legal Events
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: WENZEL NEMETZADE WARTHMUELLER PATENTANWAELTE P, DE |
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| R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |