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DE102020107800A1 - MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT - Google Patents

MANUFACTURING DEVICE FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT AND METHOD FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF AN OBJECT Download PDF

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DE102020107800A1
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DE
Germany
Prior art keywords
light
light sources
manufacturing device
laser
beams
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.)
Withdrawn
Application number
DE102020107800.5A
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German (de)
Inventor
Michael Totzeck
Erik Loopstra
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.)
Carl Zeiss AG
Original Assignee
Carl Zeiss AG
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 Carl Zeiss AG filed Critical Carl Zeiss AG
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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 aus 1;
  • 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 aus 5; und
  • 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Verstärkermediums einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung.
Preferred embodiments emerge from the subclaims. The invention is explained in more detail below with reference to drawings of exemplary embodiments. Show here
  • 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 device 1 ;
  • 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 device 5 ; 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.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 10. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the manufacturing device according to the invention 10 .

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 1 nur vier Lichtquellen 25 dargestellt. Die Punkte bzw. Kreise deuten an, dass eine Vielzahl 20 von Lichtquellen 25 zusätzlich vorhanden ist, die nicht dargestellt sind. Die Vielzahl nicht-dargestellter Elemente kann nicht nur in der Zeichenebene vorhanden sein, sondern es können auch vor und/oder hinter der Zeichenebene weitere jeweils gleichartige Elemente vorhanden sein.The three points or circles arranged one above the other in the vertical direction in the drawings are intended to indicate that there is a large number of further elements of the same type, not shown, such as the elements shown above the points or circles. For example, in 1 only four light sources 25th shown. The dots or circles indicate that a large number 20th of light sources 25th is also present, which are not shown. The large number of non-illustrated elements can not only be present in the plane of the drawing, but further elements of the same type can also be present in front of and / or behind the plane of the drawing.

Die Fertigungsvorrichtung 10 ist zum Lasersintern und/oder Laserschmelzen eines Ausgangsmaterials zur additiven Fertigung eines Objekts ausgebildet. Die Fertigungsvorrichtung 10 kann somit ein sogenannter 3D-Drucker sein. Das Ausgangsmaterial kann insbesondere ein Metall und/oder eine Metalllegierung umfassen oder sein.The manufacturing device 10 is designed for laser sintering and / or laser melting of a starting material for additive manufacturing of an object. The manufacturing device 10 can therefore be a so-called 3D printer. The starting material can in particular comprise or be a metal and / or a metal alloy.

Die Fertigungsvorrichtung 10 umfasst eine Vielzahl 20 von Lichtquellen 25. Die Anzahl der Lichtquellen 25 kann z.B. 1000, 2000, 4000, 6000, 10.000 oder 15.000 betragen. Eine größere Anzahl an Lichtquellen 25 ist vorstellbar. Die Lichtquellen 25 geben jeweils einen Lichtstrahl 30 ab.The manufacturing device 10 includes a variety 20th of light sources 25th . The number of light sources 25th can be, for example, 1000, 2000, 4000, 6000, 10,000, or 15,000. A larger number of light sources 25th is imaginable. The light sources 25th each give a ray of light 30th away.

Die Lichtquellen 25 können in einem Array bzw. einem Feld bzw. matrixartig angeordnet sein. Dies bedeutet, dass die Lichtquellen 25 gleichmäßig bzw. regelmäßig zweidimensional angeordnet sind. Vorstellbar ist beispielsweise, dass die Lichtquellen 25 in senkrechter und waagrechter Richtung jeweils äquidistant zueinander matrixartig zweidimensional angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich für die Laserstrahlen 90, die durch die Fertigungsvorrichtung 10 auf das Ausgangsmaterial abgestrahlt werden können, eine Art Matrix bzw. eine Art Gitter. Bei 10.000 Lichtquellen 25 kann z.B. die Matrix die Dimension 100*100 haben.The light sources 25th can be arranged in an array or a field or in a matrix-like manner. This means that the light sources 25th are arranged uniformly or regularly two-dimensionally. It is conceivable, for example, that the light sources 25th are arranged in a two-dimensional matrix-like manner in each case equidistant from one another in the vertical and horizontal directions. This results in the laser beams 90 going through the manufacturing fixture 10 can be radiated onto the starting material, a type of matrix or a type of grid. With 10,000 light sources 25th For example, the matrix can have the dimension 100 * 100.

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 25 sind durch ein Steuergerät einzeln ansteuerbar bzw. einschaltbar und ausschaltbar. Dies bedeutet, dass die Steuervorrichtung 15 die gerade bzw. aktuell benötigten Lichtquellen 25 einschaltet und die gerade bzw. aktuell nicht benötigten Lichtquellen 25 ausschaltet. Dies kann mit einer hohen Frequenz, z.B. 10 MHz, 20 MHz oder 30 MHz stattfinden. Hierfür kann das Steuergerät über Steuerleitungen 17 mit den Lichtquellen 25 verbunden sein.The light sources 25th can be individually controlled or switched on and off by a control unit. This means that the control device 15th the currently or currently required light sources 25th switches on and the light sources that are currently or not currently required 25th turns off. This can take place at a high frequency, for example 10 MHz, 20 MHz or 30 MHz. The control unit can do this via control lines 17th with the light sources 25th be connected.

Die Lichtquellen 25 können Leuchtdioden (engl. light emitting diode, LED) umfassen oder sein. Die Leuchtdioden sind typischerweise keine Laserdioden. Die Leuchtdioden haben üblicherweise eine spektrale Halbwertsbreite (engl. full width half maximum, FWHM) von mindestens 20 nm. Die Abstrahlung der Leuchtdioden ist üblicherweise inkohärent und die Abstrahlcharakteristik ist die eines Lambertschen Strahlers. Die Leistung beträgt typischerweise ca. 200 mW bis ca. 800 mW. Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der Leuchtdiode kann typischerweise nur 0,05% der Leistung der Leuchtdiode im Verstärkermedium verstärkt werden.The light sources 25th can include or be light emitting diodes (LED). The light emitting diodes are typically not laser diodes. The light-emitting diodes usually have a spectral half-width (full width half maximum, FWHM) of at least 20 nm. The emission of the light-emitting diodes is usually incoherent and the emission characteristic is that of a Lambertian emitter. The power is typically around 200 mW to around 800 mW. Due to the radiation characteristics of the light-emitting diode, typically only 0.05% of the power of the light-emitting diode can be amplified in the amplifier medium.

Alternativ oder zusätzlich können die Lichtquellen 25 oberflächenemittierende Laserdioden mit Vertikalresonator (engl. vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) umfassen oder sein. Oberflächenemittierende Laserdioden geben typischerweise ein Laserlicht mit einer Fläche von ca. 5 µm bis ca. 20 µm bei einer Leistung bis zu ca. 10 mW ab. Die Halbwertsbreite (FWHM) beträgt typischerweise ca. 1 nm.Alternatively or additionally, the light sources 25th surface-emitting laser diodes with a vertical resonator (vertical cavity surface emitting laser, VCSEL) comprise or be. Surface-emitting laser diodes typically emit laser light with an area of approx. 5 µm to approx. 20 µm at a power of up to approx. 10 mW. The full width at half maximum (FWHM) is typically approx. 1 nm.

Es ist möglich, dass ein Teil der Lichtquellen 25 Leuchtdioden umfassen oder sind und ein Teil der Lichtquellen 25 oberflächenemittierende Laserdioden mit Vertikalresonator umfassen oder sind.It is possible that some of the light sources 25th Light-emitting diodes comprise or are and a part of the light sources 25th surface-emitting laser diodes with a vertical resonator comprise or are.

Die Lichtstrahlen 30 der Lichtquellen 25 werden mittels optischer Elemente 40, 45 kollimiert und aufgeweitet. Die Aufweitung führt dazu, dass die Lichtintensitätsdichte in dem Verstärkermedium unterhalb eines vorgegebenen Werts bleibt. Dies verhindert eine Beschädigung und/oder zu starke Erwärmung des Verstärkermediums. Die Lichtstrahlen 30 können ein gemeinsames optisches Element 45 verwenden. Möglich ist auch, dass mehrere Lichtquellen 25 bzw. Lichtstrahlen 30 ein optisches Element 45 gemeinsam verwenden. Denkbar ist auch, dass alle Lichtquellen 25 bzw. Lichtstrahlen 30 ein optisches Element 45 gemeinsam benutzen. Durch das Kollimieren werden die Lichtstrahlen 30 bzw. Laserstrahlen 90 parallel zueinander ausgerichtet.The rays of light 30th of the light sources 25th are made by means of optical elements 40 , 45 collimated and expanded. The expansion leads to the light intensity density in the gain medium remains below a specified value. This prevents damage and / or excessive heating of the amplifier medium. The rays of light 30th can share a common optical element 45 use. It is also possible that several light sources 25th or light rays 30th an optical element 45 use together. It is also conceivable that all light sources 25th or light rays 30th an optical element 45 share. By collimating the light rays 30th or laser beams 90 aligned parallel to each other.

Nach den optischen Elementen 45 zum Kollimieren und/oder Aufweiten werden die Lichtstrahlen 30 bzw. die kollimierten und aufgeweiteten Eingangsstrahlen 50 mittels eines Verstärkermediums verstärkt. Das Verstärkermedium erzeugt, wenn die Lichtstrahlen 30 nicht bereits Laserstrahlen 90 sind, aus den Lichtstrahlen 30 Laserstrahlen 90. Zumindest ein Teil der jeweiligen Lichtstrahls 30 wird durch das Verstärkermedium verstärkt. Das Verstärkermedium ist bzw. wird mittels einer Pumpquelle 80, 81 und eines Pumpstrahls 85, 86, beispielsweise optisch, gepumpt. Dies bedeutet, dass in dem Verstärkermedium eine Besetzungsinversion durch optische Anregung hergestellt wird. Die Pumpquelle 80, 81 kann einen oder mehrere Laserdioden umfassen oder eine Laserdiode oder mehrere Laserdioden sein.According to the optical elements 45 the light rays are used to collimate and / or expand 30th or the collimated and expanded input beams 50 amplified by means of an amplifier medium. The gain medium creates when the light rays 30th not already laser beams 90 are, from the rays of light 30th Laser beams 90 . At least part of the respective light beam 30th is amplified by the amplifying medium. The amplifier medium is or will be by means of a pump source 80 , 81 and a pump beam 85 , 86 , for example optically, pumped. This means that a population inversion is produced in the amplifier medium by optical excitation. The pump source 80 , 81 can comprise one or more laser diodes or be one or more laser diodes.

Das Verstärkermedium strahlt eine Vielzahl von verstärkten Laserstrahlen 90 ab, die aus den Lichtstrahlen 30 der Lichtquellen 25 erzeugt wurden. Das Verstärkermedium kann eine Verstärkung aufweisen, die im Bereich von 2.000, 4.000 oder im Bereich von vier Größenordnungen bzw. ca. 10.000 liegt. Die Leistung des jeweiligen Laserstrahls 90, der vom Verstärkermedium ausgegeben wird, kann beispielsweise ca. 100 W betragen.The amplifier medium emits a variety of amplified laser beams 90 starting from the rays of light 30th of the light sources 25th were generated. The gain medium can have a gain which is in the range of 2,000, 4,000 or in the range of four orders of magnitude or approximately 10,000. The power of the respective laser beam 90 output by the amplifier medium can be approx. 100 W, for example.

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 30, 2,4 mm betragen. Bei Yb:YAG kann die Dicke ca. 30,3 mm betragen. Das Verstärkermedium kann ein Verstärkerelement 60-62 in Form einer Platte sein. Das Verstärkerelement 60-62 kann von allen Lichtstrahlen 30 gemeinsam oder von einem Großteil der Lichtstrahlen 30 gemeinsam verwendet werden.The doping density of the amplifier medium can be in the range of approx. 1%. In the case of Nd: YAG, the material thickness can be measured along the direction of the respective light beam 30th , 2.4 mm. In the case of Yb: YAG, the thickness can be approx. 30.3 mm. The amplifier medium can be an amplifier element 60-62 be in the form of a plate. The amplifier element 60-62 can of all rays of light 30th together or from a large part of the light rays 30th can be used together.

Das Verstärkerelement 60-62 gibt eine Vielzahl von Laserstrahlen 90 ab. Aus jeder eingeschalteten Lichtquelle 25 wird sozusagen ein Laserstrahl 90 erzeugt. Die Laserstrahlen 90 können mittels einer Bewegungsvorrichtung über das Ausgangsmaterial bewegt werden. Die Bewegungsvorrichtung kann eine Spiegel umfassende Optikvorrichtung sein.The amplifier element 60-62 are a variety of laser beams 90 away. From every switched on light source 25th becomes a laser beam, so to speak 90 generated. The laser beams 90 can be moved over the starting material by means of a movement device. The movement device can be an optical device comprising mirrors.

Die Laserstrahlen 90 sintern und/oder schmelzen das Ausgangsmaterial. Danach kann eine weitere Schicht Ausgangsmaterial aufgebracht werden. Diese wird wiederum teilweise gesintert und/oder geschmolzen durch die Laserstrahlen 90. Auf diese Weise wird ein Objekt bzw. ein Gegenstand, z.B. eine Halterung, schichtweise additiv hergestellt bzw. 3D-gedruckt.The laser beams 90 sinter and / or melt the starting material. Then another layer of starting material can be applied. This in turn is partially sintered and / or melted by the laser beams 90 . In this way, an object or an item, for example a holder, is additively manufactured or 3D printed in layers.

Die Laserstrahlen 90 können matrixartig bzw. rasterartig regelmäßig, z.B. in Reihen und Spalten, angeordnet sein. Die Anzahl der Reihen kann der Anzahl der Spalten entsprechen. Denkbar ist auch, dass die Anzahl der Reihen größer oder kleiner als die Anzahl der Spalten ist. In jeder Spalte können mehr als, gleichviel wie oder weniger als gleichartige Elemente wie in der Spalte angeordnet sein.The laser beams 90 can be arranged in a matrix-like or grid-like manner, for example in rows and columns. The number of rows can correspond to the number of columns. It is also conceivable that the number of rows is larger or smaller than the number of columns. In each column there can be more than, the same number or fewer than similar elements as in the column.

2 zeigt eine Detailansicht des Verstärkermediums der Fertigungsvorrichtung 10 aus 1. Das Verstärkermedium wird durch die Lichtstrahlen 30 bzw. durch die Verstärkung erwärmt. Um eine negative Beeinflussung der Strahlqualität durch die Erwärmung zu vermindern bzw. zu verringern, kann die Fertigungsvorrichtung 10 eine Kühlvorrichtung 100 zur Kühlung des Verstärkermediums aufweisen. Durch die Kühlvorrichtung 100 wird eine räumlich inhomogene Temperaturverteilung vermindert bzw. reduziert. 2 zeigt eine Seitenansicht des Verstärkermediums, d.h. die Lichtstrahlen 30 bzw. Laserstrahlen 90 verlaufen im Wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene der 2. 2 shows a detailed view of the amplifier medium of the manufacturing device 10 the end 1 . The amplifier medium is created by the light rays 30th or heated by the reinforcement. In order to reduce or reduce a negative influence on the beam quality due to the heating, the production device 10 a cooling device 100 have for cooling the amplifier medium. Through the cooler 100 a spatially inhomogeneous temperature distribution is reduced or reduced. 2 Figure 3 shows a side view of the gain medium, ie the light rays 30th or laser beams 90 run essentially perpendicular to the plane of the drawing 2 .

Die Kühlvorrichtung 100 weist zwei Kühlmitteleinlässe 105, 106 und zwei Kühlmittelauslässe 110, 111 auf. Durch die Kühlmitteleinlässe 105, 106 strömt Kühlmittel in die Kühlvorrichtung 100. Durch die Kühlmittelauslässe 110, 111 strömt Kühlmitte aus der Kühlvorrichtung 100. Das Kühlmittel kann in einem Kühlkreislauf außerhalb der Kühlvorrichtung 100 abgekühlt werden. Das Kühlmittel ist ein Fluid, d.h. ein Gas oder eine Flüssigkeit. Die Flüssigkeit kann Wasser umfassen oder sein. Das Kühlmittel umströmt das Verstärkermedium auf vier Seiten.The cooler 100 has two coolant inlets 105 , 106 and two coolant outlets 110 , 111 on. Through the coolant inlets 105 , 106 coolant flows into the cooling device 100 . Through the coolant outlets 110 , 111 coolant flows out of the cooling device 100 . The coolant can be in a cooling circuit outside the cooling device 100 be cooled down. The coolant is a fluid, ie a gas or a liquid. The liquid can comprise or be water. The coolant flows around the amplifier medium on four sides.

3 zeigt eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Verstärkermediums einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 10. Das Verstärkermedium besteht in dieser Ausführungsform nicht aus einer Platte, sondern aus mehreren Verstärkerelementen 60-62 in Form von drei Platten. Hierdurch können die einzelnen Verstärkerelemente 60-62 besonders effizient gekühlt werden. Die mehreren Platten können derart angeordnet sein, dass die Lichtstrahlen 30 in der Zeichenebene der 3 verlaufen oder senkrecht zur Zeichenebene der 3 verlaufen. 3 shows a detailed view of a further embodiment of the amplifier medium of a manufacturing device according to the invention 10 . In this embodiment, the amplifier medium does not consist of a plate, but of several amplifier elements 60-62 in the form of three plates. This allows the individual Amplifier elements 60-62 be cooled particularly efficiently. The plurality of plates can be arranged such that the light rays 30th in the plane of the 3 run or perpendicular to the plane of the drawing 3 get lost.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 10. Die zweite Ausführungsform der Fertigungsvorrichtung 10 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Lichtstrahlen 30 nicht in einem Verstärkerelement 60-62 einstufig verstärkt werden, sondern die Lichtstrahlen 30 in zwei Verstärkerelementen 60-62, 70 hintereinander zweistufig verstärkt werden. Dies bedeutet, dass die Lichtstrahlen 30 in dem ersten Verstärkerelement 60-62 in einer ersten Stufe zu leicht verstärkten Lichtstrahlen bzw. leicht verstärkten Laserstrahlen 95 verstärkt werden und die leicht verstärkten Lichtstrahlen bzw. Laserstrahlen 95 anschließend in dem zweiten Verstärkerelement 70 erneut verstärkt werden, so dass das zweite Verstärkerelement 70 eine Vielzahl verstärkter Laserstrahlen 90 ausgibt bzw. abstrahlt. 4th shows a schematic representation of a second embodiment of the manufacturing device according to the invention 10 . The second embodiment of the manufacturing device 10 differs from the first embodiment in that the light rays 30th not in an amplifier element 60-62 are amplified in one step, but the rays of light 30th in two amplifier elements 60-62 , 70 be reinforced in two stages one after the other. This means that the rays of light 30th in the first amplifier element 60-62 in a first stage to slightly amplified light beams or slightly amplified laser beams 95 are amplified and the slightly amplified light rays or laser rays 95 then in the second amplifier element 70 be amplified again, so that the second amplifier element 70 a variety of amplified laser beams 90 emits or emits.

Die Verstärkerelemente 60-62, 70 können zueinander unterschiedliche Dotierungsdichten aufweisen. Somit kann die Dotierungsdichte an die jeweilige Stärke des Lichtstrahls 30 vor der Verstärkung bzw. den jeweiligen Verstärkungsfaktor angepasst werden oder sein. Hierdurch kann die Verstärkung besonders effizient durchgeführt werden.The amplifier elements 60-62 , 70 can have mutually different doping densities. The doping density can thus be adapted to the respective strength of the light beam 30th before the amplification or the respective amplification factor are adapted or be. As a result, the reinforcement can be carried out particularly efficiently.

Jedes der zwei Verstärkerelemente 60-62, 70 hat einen Pumpstrahl 85, 86, der von einer Pumpquelle 80, 81 auf das jeweilige Verstärkerelement 60-62, 70 gestrahlt wird.Each of the two amplifier elements 60-62 , 70 has a pump beam 85 , 86 coming from a pumping source 80 , 81 on the respective amplifier element 60-62 , 70 is blasted.

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.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 10. 6 zeigt eine Detailansicht des Verstärkermediums der Fertigungsvorrichtung 10 aus 5. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the manufacturing device according to the invention 10 . 6th shows a detailed view of the amplifier medium of the manufacturing device 10 the end 5 .

Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die Lichtstrahlen 30 nicht wie bei der ersten Ausführungsform ein gemeinsames Verstärkerelement verwenden bzw. nutzen, sondern dass bei der dritten Ausführungsform jeder Lichtstrahl 30 bzw. jede Lichtquelle 25 ein eigenes Verstärkerelement 60-62 aufweist. Die Verstärkerelemente 60-62 sind beabstandet zueinander angeordnet. Hierdurch sind die Verstärkerelemente 60-62 voneinander optisch und thermisch entkoppelt. Die Verstärkerelemente 60-62 können die Form eines Stabs bzw. eines kreisförmigen Zylinders aufweisen.The third embodiment differs from the first embodiment in that the light beams 30th do not use or use a common amplifier element as in the first embodiment, but each light beam in the third embodiment 30th or any light source 25th its own amplifier element 60-62 having. The amplifier elements 60-62 are arranged at a distance from one another. This makes the amplifier elements 60-62 optically and thermally decoupled from each other. The amplifier elements 60-62 can have the shape of a rod or a circular cylinder.

Denkbar ist auch, dass zwei, drei oder vier Lichtquellen 25 sich jeweils ein Verstärkerelement 60-62 teilen. Somit können mehrere Lichtquellen 25 ein Verstärkerelement 60-62 teilen. Bei der dritten Ausführungsform teilen sich jedoch üblicherweise nicht alle Lichtquellen 25 ein gemeinsames Verstärkerelement 60-62.It is also conceivable that two, three or four light sources 25th each has an amplifier element 60-62 share. Thus, several light sources can be used 25th an amplifier element 60-62 share. In the third embodiment, however, not all light sources are usually shared 25th a common amplifier element 60-62 .

6 zeigt eine Seitenansicht des Verstärkungsmediums bzw. der Verstärkermediums, wobei nur ein Ausschnitt dargestellt ist. Die Laserstrahlen 90 verlaufen senkrecht zur Zeichenebene der 6. Die Verstärkerelemente 60-62 sind gleichmäßig bzw. regemäßig in einer Art Matrix bzw. Gitter angeordnet. 6th shows a side view of the amplification medium or the amplification medium, only a section being shown. The laser beams 90 run perpendicular to the plane of the drawing 6th . The amplifier elements 60-62 are arranged evenly or regularly in a kind of matrix or grid.

Denkbar ist auch, dass für jede Lichtquelle 25 mehrere in Richtung der Lichtstrahlen 30 hintereinander angeordnete Verstärkerelemente 60-62 angeordnet sind, wobei die Verstärkerelemente 60-62 den jeweiligen Lichtstrahl 30 mehrstufig verstärken, wie dies im Zusammenhang mit der 4 erläutert ist.It is also conceivable that for every light source 25th several in the direction of the light rays 30th amplifier elements arranged one behind the other 60-62 are arranged, the amplifier elements 60-62 the respective light beam 30th reinforce in several stages, as related to the 4th is explained.

7 zeigt eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Verstärkermediums einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 10. 7th shows a side view of a further embodiment of the amplifier medium of a manufacturing device according to the invention 10 .

Bei räumlich zueinander beabstandeten Verstärkerelementen 60-62, insbesondere bei kreiszylinderförmigen Verstärkerelementen, ist es möglich, dass jedes Verstärkerelement 60-62 einen eigenen Pumpstrahl 85, 86 hat bzw. mehr als ein Pumpstrahl 85, 86 vorhanden ist. Der Pumpstrahl 85, 86 verläuft hierbei typischerweise nicht senkrecht zu Lichtstrahlen 30 bzw. Laserstrahlen 90, sondern weist einen spitzen Winkel hierzu auf, z.B. 10° oder 5°. Der Pumpstrahl 85, 86 kann von der Seite der Laserquellen und/oder von der entgegen gesetzten Seite auf das jeweilige Verstärkerelement 60-62 gerichtet sein.In the case of amplifier elements that are spatially spaced apart from one another 60-62 , in particular in the case of circular cylinder-shaped amplifier elements, it is possible that each amplifier element 60-62 its own pump beam 85 , 86 has or more than one pump beam 85 , 86 is available. The pump jet 85 , 86 typically does not run perpendicular to light rays 30th or laser beams 90 , but rather has an acute angle to it, for example 10 ° or 5 °. The pump jet 85 , 86 can be applied to the respective amplifier element from the side of the laser sources and / or from the opposite side 60-62 be directed.

Um das jeweilige Verstärkerelement 60-62 kann eine sogenannte Pumpführung (engl. pump guiding) angeordnet sein, die reflektierend ausgebildet ist.To the respective amplifier element 60-62 a so-called pump guiding, which is designed to be reflective, can be arranged.

Die Fläche des jeweiligen Verstärkerelements 60-62, durch die die Lichtstrahlen 30 in das Verstärkerelement 60-62 eintreten, kann derart gekippt sein, dass kein senkrechter Winkel zwischen dem jeweiligen Lichtstrahl 30 und der Fläche vorhanden ist. Der Winkel, der ungleich 90° ist, kann z.B. im Bereich von ca. 87° bis 93° liegen. Hierdurch werden unerwünschten Reflexionen verhindert.The area of the respective amplifier element 60-62 through which the rays of light 30th into the amplifier element 60-62 occur, can be tilted in such a way that no perpendicular angle between the respective light beam 30th and the area is available. The angle that is not equal to 90 ° can, for example, be in the range from approx. 87 ° to 93 °. This prevents unwanted reflections.

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)

Fertigungsvorrichtung (10) zur additiven Fertigung eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial, 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.Manufacturing device (10) for additive manufacturing of an object from a starting material, wherein the manufacturing device (10) a plurality (20) of light sources (25) for each emitting a light beam (30), a control device (15) for switching the light sources (25) on and off individually, 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 moving device for moving the laser beams (90) over the starting material for sintering and / or melting the starting material. Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl (20) von Lichtquellen (25) in einem regelmäßigen Muster, insbesondere in Reihen und Spalten, angeordnet sind.Manufacturing device (10) after Claim 1 wherein the plurality (20) of light sources (25) are arranged in a regular pattern, in particular in rows and columns. Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtquellen (25) Leuchtdioden umfassen.Manufacturing device (10) after Claim 1 or 2 , wherein the light sources (25) comprise light emitting diodes. Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquellen (25) oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL) umfassen.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the light sources (25) comprise surface-emitting laser diodes (VCSEL). Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkermedium eine von den Lichtstrahlen (30) gemeinsam genutzte Platte umfasst.The manufacturing apparatus (10) according to any one of the preceding claims, wherein the gain medium comprises a plate shared by the light beams (30). Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkermedium mehrere entlang der Strahlrichtung der Lichtstrahlen (30) der Lichtquellen (25) zueinander beabstandete Verstärkungselemente umfasst.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the amplifier medium comprises a plurality of reinforcement elements spaced apart from one another along the beam direction of the light beams (30) of the light sources (25). Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei zumindest ein Teil der Verstärkungselemente zueinander unterschiedliche Dotierungsdichten aufweist.Manufacturing device (10) after Claim 6 , wherein at least some of the reinforcement elements have mutually different doping densities. Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkermedium eine Vielzahl von Verstärkungselementen umfasst, wobei die Verstärkungselemente zum Verstärken jeweils eines einzelnen Lichtstrahls (30) einer Lichtquelle (25) ausgebildet sind.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the amplifying medium comprises a plurality of reinforcing elements, the reinforcing elements being designed to amplify a single light beam (30) from a light source (25). Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Fertigungsvorrichtung (10) derart ausgebildet ist, dass die Verstärkungselemente jeweils mit einem einzelnen Pumpstrahl (85, 86), insbesondere, optisch pumpbar sind.Manufacturing device (10) after Claim 8 , the manufacturing device (10) being designed in such a way that the reinforcing elements can each be pumped optically with a single pump beam (85, 86), in particular. Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fertigungsvorrichtung (10) eine Kühlvorrichtung (100) zum Kühlen des Verstärkermediums mittels eines Fluids umfasst.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the manufacturing device (10) comprises a cooling device (100) for cooling the amplifier medium by means of a fluid. Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verstärkermedium einen Kristall mit Neodym dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und/oder einen Kristall mit Ytterbium dotierten Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) umfasst.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the amplifier medium comprises a crystal with neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG) and / or a crystal with ytterbium-doped yttrium-aluminum-garnet (YAG). Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des Verstärkermediums, durch die die Lichtstrahlen (30) in das Verstärkermedium eintreten oder austreten, nicht senkrecht zu der Richtung der Lichtstrahlen (30) angeordnet ist.The manufacturing apparatus (10) according to any one of the preceding claims, wherein a surface of the gain medium through which the light beams (30) enter or exit the gain medium is not arranged perpendicular to the direction of the light beams (30). Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen den Lichtquellen (25) und dem Verstärkermedium optische Elemente (45) zum Kollimieren und/oder Aufweiten des jeweiligen Lichtstrahls (30) angeordnet ist.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein optical elements (45) for collimating and / or expanding the respective light beam (30) are arranged between the light sources (25) and the amplifier medium. Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial mittels Lasersintern und/oder Laserschmelzen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erzeugen einer Vielzahl von Lichtstrahlen (30) mittels einer Vielzahl (20) von Lichtquellen (25) zum Abstrahlen jeweils eines Lichtstrahls (30), wobei die Lichtquellen (25) mittels eines Steuergeräts einzeln anschaltbar und ausschaltbar ist; Pumpen eines Verstärkermediums zum Verstärken der Lichtstrahlen (30) der Lichtquellen (25), wobei das Verstärkermedium mittels eines Pumpstrahls (85, 86) einer Pumpquelle (80, 81) gepumpt wird; Verstärken der Lichtstrahlen (30) mittels des Verstärkermediums zum Erzeugen von Laserstrahlen (90); und Strahlen der verstärkten Laserstrahlen (90) auf das Ausgangsmaterial zum Lasersintern und/oder Laserschmelzen des Ausgangsmaterials.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 multiplicity of light beams (30) by means of a multiplicity (20) of light sources (25) for each emitting a light beam (30) wherein the light sources (25) can be switched on and off individually by means of a control device; Pumping an amplifier medium for amplifying the light beams (30) of the light sources (25), the amplifier medium being pumped by means of a pump beam (85, 86) of a pump source (80, 81); Amplifying the light beams (30) by means of the amplifying medium to generate laser beams (90); and irradiating the amplified laser beams (90) onto the starting material for laser sintering and / or laser melting the starting material. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die verstärkten Laserstrahlen (90) in einem regelmäßigen Muster, insbesondere in Reihen und Spalten, auf das Ausgangsmaterial gestrahlt werden.Procedure according to Claim 14 wherein the amplified laser beams (90) are radiated onto the starting material in a regular pattern, in particular in rows and columns. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Lichtquellen (25) Leuchtdioden umfassen.Procedure according to Claim 14 or 15th , wherein the light sources (25) comprise light emitting diodes. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-16, wobei die Lichtquellen (25) oberflächenemittierende Laserdioden (VCSEL) umfassen.Method according to one of the Claims 14 - 16 wherein the light sources (25) comprise surface emitting laser diodes (VCSEL). Verfahren nach einem der Ansprüche 14-17, wobei die Lichtstrahlen (30) mittels zwischen den Lichtquellen (25) und dem Verstärkermedium angeordneter optischer Elemente (45) kollimiert und/oder aufgeweitet werden.Method according to one of the Claims 14 - 17th wherein the light beams (30) are collimated and / or expanded by means of optical elements (45) arranged between the light sources (25) and the amplifier medium. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-18, wobei die verstärkten Laserstrahlen (90) nach dem Durchlaufen des Verstärkermediums auf ein zweites Verstärkermedium zum erneuten Verstärken der Laserstrahlen (90) gestrahlt werden.Method according to one of the Claims 14 - 18th wherein the amplified laser beams (90), after passing through the amplifying medium, are radiated onto a second amplifying medium for amplifying the laser beams (90) again.
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