DE102022111298A1 - System for the layered production of at least one object on a construction platform and associated production process, with a cooled aperture device - Google Patents
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Abstract
Eine Anlage (1) zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts (2) auf einer Bauplattform (13) durch lokale Verfestigung von pulverförmigen Material (6) in einer jeweiligen Schicht (21) mit einem Bearbeitungslaserstrahl (18), umfassend eine Laserquelle (15) zur Bereitstellung eines Ausgangslaserstrahls (16), wobei die Laserquelle (15) einen Multimode-Laserstrahl (16') bereitstellt, und einen Laserbearbeitungskopf (17), welcher den Bearbeitungslaserstrahl (18) bereitstellt,
wobei der Laserbearbeitungskopf (17) aufweist
- eine Kollimationseinrichtung (25) zum Kollimieren des von der Laserquelle (15) bereitgestellten Ausgangslaserstrahls (16),
- eine Fokussiereinrichtung (27) zum Fokussieren eines von der Kollimationseinrichtung (25) bereitgestellten, kollimierten Laserstrahls (30),
- eine Scannereinrichtung (28) zur Ablenkung eines an der Scannereinrichtung (28) einfallenden Laserstrahls (38), und
- eine gekühlte Blendeneinrichtung (26) zur teilweisen Abschattung eines auf die Blendeneinrichtung (26) gerichteten Laserstrahls (31), mit welcher von dem auf die Blendeneinrichtung (26) gerichteten Laserstrahl (31) ein Anteil (31a) mit größerem Divergenzwinkel (φA) abgeschattet wird und ein Anteil (31b) mit kleinerem Divergenzwinkel (φB) durchgelassen wird, wobei der Divergenzwinkel (φA, φB) am von der Laserquelle (15) bereitgestellten Ausgangslaserstrahl (16) bestimmt ist.
Mit der Anlage kann auf einfache Weise eine schnelle und präzise Herstellung des wenigstens einen Objekts erfolgen.
A system (1) for the layer-by-layer production of at least one object (2) on a construction platform (13) by locally solidifying powdered material (6) in a respective layer (21) with a processing laser beam (18), comprising a laser source (15). Providing an output laser beam (16), the laser source (15) providing a multimode laser beam (16'), and a laser processing head (17) which provides the processing laser beam (18),
wherein the laser processing head (17).
- a collimation device (25) for collimating the output laser beam (16) provided by the laser source (15),
- a focusing device (27) for focusing a collimated laser beam (30) provided by the collimation device (25),
- a scanner device (28) for deflecting a laser beam (38) incident on the scanner device (28), and
- a cooled aperture device (26) for partially shading a laser beam (31) directed at the aperture device (26), with which a portion (31a) of the laser beam (31) directed at the aperture device (26) has a larger divergence angle (φ A ) is shaded and a portion (31b) with a smaller divergence angle (φ B ) is transmitted, the divergence angle (φ A , φ B ) being determined on the output laser beam (16) provided by the laser source (15).
The system can be used to quickly and precisely produce the at least one object in a simple manner.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einer Bauplattform durch lokale Verfestigung von pulverförmigen Material in einer jeweiligen Schicht mit einem Bearbeitungslaserstrahl.The invention relates to a system for the layer-by-layer production of at least one object on a construction platform by locally solidifying powdered material in a respective layer with a processing laser beam.
Mit der schichtweisen Fertigung von Objekten durch lokale Verfestigung von pulverförmigem Material mittels Hochenergiestrahlen (in der Regel Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen) können dreidimensionale Objekte vergleichsweise einfach und schnell gefertigt werden. Geometrische Beschränkungen von herkömmlichen Fertigungsverfahren wie Fräsen oder Spritzguss können dabei überwunden werden. Die schichtweise Fertigung wird häufig für Prototypen oder für Objekte, die nur in kleinen Stückzahlen hergestellt werden, eingesetzt.With the layer-by-layer production of objects through local solidification of powdery material using high-energy beams (usually laser beams or electron beams), three-dimensional objects can be manufactured comparatively easily and quickly. Geometric limitations of conventional manufacturing processes such as milling or injection molding can be overcome. Layered manufacturing is often used for prototypes or for objects that are only produced in small quantities.
Häufig werden für die additive Fertigung von Objekten Grundmode-Laserstrahlen in einem Wellenlängenbereich von 1030-1080 nm genutzt. Für die Verarbeitung von Materialien mit einer hohen Reflektivität im Wellenlängenbereich von 1030-1080 nm ist der Einsatz von Laserstrahlen mit kürzeren Wellenlängen (beispielsweise einer Wellenlänge von 515 nm) vorteilhaft. Für diese kürzeren Wellenlängen können Multimode-Laserstrahlen eingesetzt werden, die höhere Leistungen und eine entsprechend höhere Produktivität bei der Fertigung erlauben.Fundamental mode laser beams in a wavelength range of 1030-1080 nm are often used for the additive manufacturing of objects. For the processing of materials with a high reflectivity in the wavelength range of 1030-1080 nm, the use of laser beams with shorter wavelengths (for example a wavelength of 515 nm) is advantageous. Multimode laser beams can be used for these shorter wavelengths, which allow higher powers and correspondingly higher productivity during production.
Nachteilig an Multimode-Laserstrahlen ist jedoch, dass diese eine schlechtere Strahlqualität (gemessen anhand des Strahlparameterprodukts, SPP) aufweisen als Grundmode-Laserstrahlen. Das Strahlparameterprodukt SPP ist das Produkt aus dem halben Divergenzwinkel φ und dem Radius eines Laserstrahls ω0 an seiner dünnsten Stelle (im Fokus), also SPP=φ*ω0. Eine hohe Strahlqualität entspricht einem niedrigen Strahlparameterprodukt und umgekehrt. Das Strahlparameterprodukt kann auch ausgedrückt werden als SPP=M2*λ/π, mit M2: Beugungsmaßzahl und λ: Wellenlänge.However, the disadvantage of multimode laser beams is that they have a poorer beam quality (measured using the beam parameter product, SPP) than basic mode laser beams. The beam parameter product SPP is the product of half the divergence angle φ and the radius of a laser beam ω 0 at its thinnest point (in focus), i.e. SPP=φ*ω 0 . A high beam quality corresponds to a low beam parameter product and vice versa. The beam parameter product can also be expressed as SPP=M 2 *λ/π, with M 2 : diffraction index and λ : wavelength.
Das hohe Strahlparameterprodukt bei Multimode-Laserstrahlen führt bei üblichen Größen der Scanneroptik dazu, dass der auf eine Prozessebene gerichtete und fokussierte Multimode-Bearbeitungslaserstrahl eine vergleichsweise große Spotgröße aufweist. Eine präzise schichtweise Fertigung von Objekten mit einer hohen Detailauflösung wird hierdurch stark erschwert oder unmöglich.The high beam parameter product for multimode laser beams means that, given the usual sizes of the scanner optics, the multimode processing laser beam directed and focused on a process level has a comparatively large spot size. This makes precise layer-by-layer production of objects with a high level of detail resolution very difficult or impossible.
Zur Verkleinerung der Spotgröße kann ein Arbeitsabstand zwischen einem Laserbearbeitungskopf, der den Multimode-Laserstrahl bereitstellt, und der Prozessebene verringert werden. Hierdurch wird jedoch der Bereich, den der Laserbearbeitungskopf in einer Anlage zur schichtweisen Fertigung eines Objekts auf der Bauplattform abfahren kann, verkleinert. Zudem ist eine große konstruktive Änderung der Anlage notwendig. Weiterhin erhöht der verringerte Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Prozessebene das Risiko, das die optischen Bauteile des Laserbearbeitungskopfs verschmutzt oder beschädigt werden.To reduce the spot size, a working distance between a laser processing head that provides the multimode laser beam and the process plane can be reduced. However, this reduces the area that the laser processing head can cover in a system for producing an object layer by layer on the construction platform. In addition, a major design change to the system is necessary. Furthermore, the reduced distance between the laser processing head and the process level increases the risk that the optical components of the laser processing head will be contaminated or damaged.
Ebenso wäre es möglich, zur Verkleinerung der Spotgröße die Apertur der Scanneroptik zu vergrößern. Größere Scannerspiegel weisen jedoch eine höhere Trägheit auf, und können entsprechend nur langsamer beschleunigen, und die Maschinenproduktivität sinkt.It would also be possible to enlarge the aperture of the scanner optics to reduce the spot size. However, larger scanner mirrors have greater inertia and therefore can only accelerate more slowly, reducing machine productivity.
Die
Die
Aufgabe der ErfindungTask of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anlage zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einer Bauplattform vorzustellen, mit der auf einfache Weise eine schnelle und präzise Herstellung des wenigstens einen Objekts erfolgen kann.It is the object of the invention to present a system for the layer-by-layer production of at least one object on a construction platform, with which the at least one object can be produced quickly and precisely in a simple manner.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Anlage zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einer Bauplattform durch lokale Verfestigung von pulverförmigen Material in einer jeweiligen Schicht mit einem Bearbeitungslaserstrahl, umfassend
eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Ausgangslaserstrahls, wobei die Laserquelle einen Multimode-Laserstrahl bereitstellt, und
einen Laserbearbeitungskopf, welcher den Bearbeitungslaserstrahl bereitstellt, wobei der Laserbearbeitungskopf aufweist
- - eine Kollimationseinrichtung zum Kollimieren des von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahls, insbesondere wobei der bereitgestellte Ausgangslaserstrahl an einem Faserende eines Lichtleitkabels austritt,
- - eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren eines von der Kollimationseinrichtung bereitgestellten, kollimierten Laserstrahls,
- - eine Scannereinrichtung zur Ablenkung eines an der Scannereinrichtung einfallenden Laserstrahls, und
- - eine gekühlte Blendeneinrichtung zur teilweisen Abschattung eines auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls, mit welcher von dem auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahl ein Anteil mit größerem Divergenzwinkel abgeschattet wird und ein Anteil mit kleinerem Divergenzwinkel durchgelassen wird, wobei der Divergenzwinkel am von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahl bestimmt ist.
a laser source for providing an output laser beam, the laser source providing a multimode laser beam, and
a laser processing head which provides the processing laser beam, the laser processing head having
- - a collimation device for collimating the output laser beam provided by the laser source, in particular wherein the output laser beam provided exits at a fiber end of a light guide cable,
- - a focusing device for focusing a collimated laser beam provided by the collimation device,
- - a scanner device for deflecting a laser beam incident on the scanner device, and
- - a cooled aperture device for partially shading a laser beam directed at the aperture device, with which a portion with a larger divergence angle is shaded from the laser beam directed at the aperture device and a portion with a smaller divergence angle is let through, the divergence angle being determined on the output laser beam provided by the laser source .
Die Erfindung schlägt vor, als Ausgangslaserstrahl einen Multimode-Laserstrahl zur Verfügung zu stellen sowie mittels einer in einem Laserbearbeitungskopf angeordneten gekühlten Blendeneinrichtung einen Anteil des Multimode-Laserstrahls mit größerem Divergenzwinkel abzuschatten und einen Anteil des Multimode-Laserstrahls mit kleineren Divergenzwinkel durchzulassen.The invention proposes to provide a multimode laser beam as the output laser beam and to shade a portion of the multimode laser beam with a larger divergence angle by means of a cooled aperture device arranged in a laser processing head and to allow a portion of the multimode laser beam with a smaller divergence angle to pass through.
Der als Ausgangslaserstrahl bereitgestellte Multimode-Laserstrahl wird zum Laserbearbeitungskopf geführt. Dort wird der Multimode-Laserstrahl über eine Kollimationseinrichtung, eine Fokussiereinrichtung, eine Scannereinrichtung und durch die Blendeneinrichtung geführt und verlässt den Laserbearbeitungskopf als Bearbeitungslaserstrahl zur schichtweisen Fertigung des wenigstens einen Objekts auf der Bauplattform. Der Bearbeitungslaserstrahl ist also ebenfalls ein Multimode-Laserstrahl. Über den Multimode-Laserstrahl kann eine höhere Laserleistung, insbesondere im kW-Bereich, erzielt werden als mit einem Grundmode-Laserstrahl (bzw. Singlemode-Laserstrahl). Die erhöhte Laserleistung ermöglicht eine schnellere schichtweise Fertigung des wenigstens einen Objekts auf der Bauplattform. Hierdurch kann die Produktivität der Anlage erhöht werden.The multimode laser beam provided as the output laser beam is guided to the laser processing head. There, the multimode laser beam is guided via a collimation device, a focusing device, a scanner device and through the aperture device and leaves the laser processing head as a processing laser beam for the layer-by-layer production of the at least one object on the construction platform. The processing laser beam is also a multimode laser beam. A higher laser power, particularly in the kW range, can be achieved using the multimode laser beam than with a basic mode laser beam (or single-mode laser beam). The increased laser power enables faster layer-by-layer production of the at least one object on the construction platform. This can increase the productivity of the system.
Das Strahlparameterprodukt SPP (das ein Maß für die Strahlqualität eines Laserstrahls angibt), ist bei Multimode-Laserstrahlen, verglichen zu Grundmode-Laserstrahlen, groß. Um die Strahlqualität des bereitgestellten Multimode-Laserstrahls zu verbessern und eine kleinere Fokussierung des Multimode-Laserstrahls zu ermöglichen, wird die gekühlte Blendeneinrichtung im Laserbearbeitungskopf genutzt.The beam parameter product SPP (which indicates a measure of the beam quality of a laser beam) is large for multimode laser beams compared to fundamental mode laser beams. In order to improve the beam quality of the multimode laser beam provided and to enable smaller focusing of the multimode laser beam, the cooled aperture device in the laser processing head is used.
Allgemein ist das Strahlparameterprodukt SPP eines Laserstrahls proportional zum Radius ω0 des Laserstrahls an seiner dünnsten Stelle und dem halben Divergenzwinkel φ des Laserstrahls. Das Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls wird also unter anderem vom Divergenzwinkel φ beeinflusst. Das Strahlparameterprodukt SPP eines Laserstrahls ist weiterhin proportional zur Beugungsmaßzahl M2 und der Wellenlänge λ des Laserstrahls. Typischerweise haben Multimode-Laserstrahlen Beugungsmaßzahlen M2, die deutlich vom kleinstmöglichen Wert für M2 von 1 abweichen. Die Beugungsmaßzahl M2 gibt an, wie gut ein Strahl fokussiert werden kann. Dabei besagt ein Wert nahe 1 für M2, dass der Strahl besonders gut fokussiert werden kann. Wenn hingegen M2>>1 ist, kann der Strahl nur schlecht fokussiert werden.In general, the beam parameter product SPP of a laser beam is proportional to the radius ω 0 of the laser beam at its thinnest point and half the divergence angle φ of the laser beam. The beam parameter product SPP of the laser beam is influenced, among other things, by the divergence angle φ. The beam parameter product SPP of a laser beam is also proportional to the diffraction index M 2 and the wavelength λ of the laser beam. Typically, multimode laser beams have diffraction coefficients M 2 that deviate significantly from the smallest possible value for M 2 of 1. The diffraction index M 2 indicates how well a beam can be focused. A value close to 1 for M 2 means that the beam can be focused particularly well. However, if M 2 >>1, the beam can only be focused with difficulty.
Für ein Strahlparameterprodukt SPPA des als Ausgangslaserstrahls bereitgestellten Multimode-Laserstrahls gilt:
Für ein Strahlparameterprodukt SPPB des als Bearbeitungslaserstrahls bereitgestellten Multimode-Laserstrahls gilt:
Ohne die gekühlte Blendeneinrichtung wäre das Strahlparameterprodukt SPPA des Ausgangslaserstrahls gleich dem Strahlparameterprodukt SPPB des Bearbeitungslaserstrahls, also SPPA=SPPB. Die Strahlqualität wäre entsprechend gleich. Mithilfe der gekühlten Blendeneinrichtung kann vom Ausgangslaserstrahl ein Anteil mit größerem Divergenzwinkel abgeschattet werden. Der Bearbeitungslaserstrahl, der den Laserbearbeitungskopf verlässt, hat dann einen kleineren Divergenzwinkel als der Ausgangslaserstrahl, also φB<φA. Die Beugungsmaßzahl für den Bearbeitungslaserstrahl wird hierdurch ebenfalls kleiner, also MB 2<MA 2. Der Bearbeitungslaserstrahl lässt sich besser fokussieren und eine präzise Fertigung des wenigstens einen Objekts ist möglich. Das Strahlparameterprodukt SPPB des Bearbeitungslaserstrahls ist kleiner als das Strahlparameterprodukt SPPA des Ausgangslaserstrahls, also SPPB<SPPA.Without the cooled aperture device, the beam parameter product SPP A of the output laser beam would be equal to the beam parameter product SPP B of the processing laser beam, i.e. SPP A =SPP B. The beam quality would be the same. With the help of the cooled aperture device, a portion of the output laser beam with a larger divergence angle can be shaded. The processing laser beam that leaves the laser processing head then has a smaller divergence angle than the output laser beam, i.e. φ B <φ A. The diffraction coefficient for the processing laser beam also becomes smaller, i.e. M B 2 <M A 2 . The processing laser beam can be focused better and precise production of the at least one object is possible. The beam parameter product SPP B of the processing tung laser beam is smaller than the beam parameter product SPP A of the output laser beam, i.e. SPP B <SPP A.
Man beachte, dass die Blendeneinrichtung durch Beugungseffekte das Strahlparameterprodukt auch SPPB erhöht, bzw. MB 2 erhöht. Bei Grundmode-Laserstrahlen (mit originär niedrigem MA 2) dominiert dieser Beugungseffekt, und eine Begrenzung des Divergenzwinkels führt zu keiner merklichen Verbesserung (Absenkung) des SPPB. Bei Multimode-Laserstrahlen (mit originär hohem MA 2, meist ca. 4 oder mehr, oft 10 oder mehr) ist der Effekt von Beugung hingegen relativ gering, und durch die erfindungsgemäße Beschränkung des Divergenzwinkels φB kann das SPPB deutlich verbessert (gesenkt) werden.Note that the aperture device also increases the beam parameter product SPP B or increases M B 2 due to diffraction effects. In fundamental mode laser beams (with originally low M A 2 ), this diffraction effect dominates, and limiting the divergence angle does not lead to any noticeable improvement (lowering) of the SPP B. In the case of multimode laser beams (with originally high M A 2 , usually approx. 4 or more, often 10 or more), the effect of diffraction is relatively small, and the SPP B can be significantly improved (lowered) by limiting the divergence angle φ B according to the invention ) become.
Mittels der Kühlung der gekühlten Blendeneinrichtung kann die Wärme, die durch den abgeschatteten Anteil des Multimode-Laserstrahls in der Blendeneinrichtung erzeugt wird, effizient abgeführt werden. Eine Beschädigung oder Verformung der Blendeneinrichtung oder umliegender Bauteile der Blendeneinrichtung kann hierdurch vermieden werden.By cooling the cooled aperture device, the heat generated by the shaded portion of the multimode laser beam in the aperture device can be efficiently dissipated. Damage or deformation of the aperture device or surrounding components of the aperture device can thereby be avoided.
Weiterhin lässt sich die gekühlte Blendeneinrichtung auf einfache und unkomplizierte Weise in den Laserbearbeitungskopf einbauen. Eine große konstruktive Änderung der Anlage ist nicht notwendig.Furthermore, the cooled aperture device can be installed in the laser processing head in a simple and uncomplicated manner. A major structural change to the system is not necessary.
Die Blendeneinrichtung kann beispielsweise als Lochscheibe oder als Irisblende ausgebildet sein. Die Kollimationseinrichtung kann beispielsweise als eine einzelne Kollimationslinse, eine Kombination von Linsen oder als ein kollimierender Hohlspiegel ausgebildet sein. Die Fokussiereinrichtung kann beispielsweise als eine einzelne Fokussierlinse, eine Kombination von Linsen oder als ein fokussierender Hohlspiegel ausgebildet sein. Die Scannereinrichtung kann beispielsweise mit einem oder zwei beweglichen Scannerspiegeln ausgebildet sein.The diaphragm device can be designed, for example, as a perforated disk or as an iris diaphragm. The collimation device can be designed, for example, as a single collimation lens, a combination of lenses or as a collimating concave mirror. The focusing device can be designed, for example, as a single focusing lens, a combination of lenses or as a focusing concave mirror. The scanner device can, for example, be designed with one or two movable scanner mirrors.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen AnlagePreferred embodiments of the system according to the invention
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage, bei der die Blendeneinrichtung so gewählt ist, dass ein Strahlparameterprodukt SPPnach eines an der Blendeneinrichtung durchgelassenen Laserstrahls kleiner ist als ein Strahlparameterprodukt SPPvor des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls, mit SPPnach ≤ SPPvor*0,90,
bevorzugt mit SPPnach≤0,80*SPPvor,
besonders bevorzugt mit SPPnach≤0,70*SPPvor.Particularly preferred is an embodiment of the system according to the invention in which the aperture device is selected such that a beam parameter product SPP after a laser beam transmitted through the aperture device is smaller than a beam parameter product SPP in front of the laser beam directed at the aperture device, with SPP after ≤ SPP before *0 ,90,
preferably with SPP after ≤0.80*SPP before ,
particularly preferably with SPP after ≤0.70*SPP before .
Eine solche Verbesserung (Verkleinerung) des Strahlparameterprodukts SPPnach gegenüber SPPvor (und damit die Qualität des durchgelassenen Laserstrahls) bewirkt bereits eine deutliche Erhöhung der Fertigungspräzision des wenigstens einen Objekts. Meist gilt auch SPPnach≥0,40*SPPvor, bevorzugt SPPnach≥0,50*SPPvor, besonders bevorzugt SPPnach≥0,60*SPPvor; dann wird nicht zu viel Leistung des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls absorbiert, sodass mit einer hohen Produktivität das wenigstens eine Objekt gefertigt werden kann.Such an improvement (reduction) of the beam parameter product SPP after compared to SPP before (and thus the quality of the transmitted laser beam) already brings about a significant increase in the manufacturing precision of the at least one object. In most cases SPP after ≥0.40*SPP before , preferably SPP after ≥0.50*SPP before , particularly preferably SPP after ≥0.60*SPP before ; then not too much power of the laser beam directed at the aperture device is absorbed, so that the at least one object can be manufactured with high productivity.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Blendeneinrichtung so gewählt ist, dass von einer einfallenden Laserleistung EL des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls ein absorbierter Leistungsanteil AB absorbiert wird, mit AB/EL ≥ 0,10,
bevorzugt mit AB/EL ≥ 0,20, besonders bevorzugt AB/EL ≥ 0,25.A further particularly preferred embodiment provides that the diaphragm device is selected such that an absorbed power component AB is absorbed by an incident laser power EL of the laser beam directed onto the diaphragm device, with AB/EL ≥ 0.10,
preferably with AB/EL ≥ 0.20, particularly preferably AB/EL ≥ 0.25.
Die auf diese Weise ausgeführte Blendeneinrichtung hat sich in der Praxis bewährt. Meist gilt auch AB/EL ≤ 0,60, bevorzugt AB/EL ≤ 0,50, besonders bevorzugt AB/EL ≤ 0,40; dann wird nicht zu viel Leistung des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls absorbiert, sodass mit einer hohen Produktivität das wenigstens eine Objekt gefertigt werden kann.The aperture device designed in this way has proven itself in practice. AB/EL ≤ 0.60 also applies in most cases, preferably AB/EL ≤ 0.50, particularly preferably AB/EL ≤ 0.40; then not too much power of the laser beam directed at the aperture device is absorbed, so that the at least one object can be manufactured with high productivity.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist die Blendeneinrichtung fluidgekühlt, wobei die Blendeneinrichtung oder ein mit der Blendeneinrichtung thermisch verbundener Kühlkörper einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlfluid aufweist.In a likewise preferred embodiment, the diaphragm device is fluid-cooled, wherein the diaphragm device or a heat sink thermally connected to the diaphragm device has one or more cooling channels for a cooling fluid.
Auf diese Weise kann die Blendeneinrichtung effizient gekühlt werden. Wärme, die durch absorbierte Laserleistung an der Blendeneinrichtung entsteht, kann schnell und in großer Menge abgeführt werden. Eine Verformung oder Beschädigung der Blendeneinrichtung oder weiterer in der Nähe der Blendeneinrichtung angeordnete Bauteile kann verhindert werden. Die Kühlung ist baulich einfach umzusetzen und erhöht den Platzbedarf für den Bearbeitungskopf minimal.In this way, the aperture device can be cooled efficiently. Heat generated by absorbed laser power at the aperture device can be dissipated quickly and in large quantities. Deformation or damage to the aperture device or other components arranged in the vicinity of the aperture device can be prevented. The cooling is structurally simple to implement and minimally increases the space required for the processing head.
Die Fluidkühlung kann über einen externen Kühler erfolgen, der mit der Blendeneinrichtung oder dem Kühlkörper über Fluidleitungen verbunden ist. Als Fluid zur Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder ein Silikonöl, oder auch ein Gas, insbesondere Druckluft, verwendet werden. Alternativ kann die Blendeneinrichtung auch über Kühlrippen, die an der Blendeneinrichtung ausgebildet sind oder thermisch mit der Blendeneinrichtung verbunden sind, gekühlt werden, insbesondere wobei die Kühlrippen einem äußeren Luftstrom ausgesetzt sind, der beispielsweise über einen Ventilator eines Lüfters erzeugt wird.The fluid cooling can take place via an external cooler which is connected to the aperture device or the heat sink via fluid lines. For example, a liquid, in particular water or a silicone oil, or a gas, in particular compressed air, can be used as a fluid for cooling. Alternatively, the diaphragm device can also be cooled via cooling fins that are formed on the diaphragm device or are thermally connected to the diaphragm device, in particular where the cooling fins are exposed to an external air flow are exposed, which is generated, for example, by a fan of a fan.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Blendeneinrichtung zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung im von der Kollimationseinrichtung bereitgestellten, kollimierten Laserstrahl angeordnet ist.Also advantageous is an embodiment in which the diaphragm device is arranged between the collimation device and the focusing device in the collimated laser beam provided by the collimation device.
Dies ist baulich besonders einfach einzurichten und umzusetzen. Anteile des kollimierten Laserstrahls können besonders einfach und präzise durch die Blendeneinrichtung abgeschattet werden. Die Abschattung ist dabei unabhängig von der Position der Blendeneinrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, was deren Justage vereinfacht.This is structurally particularly easy to set up and implement. Portions of the collimated laser beam can be shaded particularly easily and precisely by the aperture device. The shading is independent of the position of the aperture device along the beam propagation direction, which simplifies its adjustment.
Alternativ kann die Blendeneinrichtung auch vor der Kollimationslinse im von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahl angeordnet sein, insbesondere zwischen dem Faserende eines Lichtleitkabels der Laserquelle und der Kollimationseinrichtung im am Faserende des Lichtleitkabels austretenden Ausgangslaserstrahl.Alternatively, the diaphragm device can also be arranged in front of the collimation lens in the output laser beam provided by the laser source, in particular between the fiber end of a light guide cable of the laser source and the collimation device in the output laser beam emerging at the fiber end of the light guide cable.
Ebenso vorteilhaft ist eine Ausführungsform, in der die Scannereinrichtung nach der Fokussiereinrichtung in einem von der Fokussiereinrichtung bereitgestellten, fokussierten Laserstrahl angeordnet ist.Equally advantageous is an embodiment in which the scanner device is arranged after the focusing device in a focused laser beam provided by the focusing device.
Dies ist baulich besonders einfach umzusetzen; die Fokussiereinrichtung kann stets zentrisch und koaxial zum kollimierten Laserstrahl bleiben.This is particularly easy to implement structurally; the focusing device can always remain central and coaxial with the collimated laser beam.
Alternativ kann die Scannereinrichtung zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung im von der Kollimationseinrichtung bereitgestellten, kollimierten Laserstrahl angeordnet sein.Alternatively, the scanner device can be arranged between the collimation device and the focusing device in the collimated laser beam provided by the collimation device.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für eine Laserleistung P des von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahls gilt: P≥200W,
bevorzugt P≥500W, besonders bevorzugt P≥1000W, ganz besonders bevorzugt P≥2000W.Also preferred is an embodiment which is characterized in that the following applies to a laser power P of the output laser beam provided by the laser source: P≥200W,
preferably P≥500W, particularly preferably P≥1000W, very particularly preferably P≥2000W.
Diese Werte für die Laserleistung P haben sich in der Praxis besonders bewährt. Mit solchen Werten für die Laserleistung P kann eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erreicht werden.These values for the laser power P have proven particularly useful in practice. With such values for the laser power P, a high production speed can be achieved.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, in der für eine mittlere Laserwellenlänge λ des von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahls gilt: λ ≤ 540nm, bevorzugt 500nm ≤ λ ≤ 540nm oder bevorzugt 330nm ≤ λ ≤ 360nm, besonders bevorzugt λ=515nm.Also preferred is an embodiment in which the following applies to a mean laser wavelength λ of the output laser beam provided by the laser source: λ ≤ 540nm, preferably 500nm ≤ λ ≤ 540nm or preferably 330nm ≤ λ ≤ 360nm, particularly preferably λ = 515nm.
Die Werte für die mittlere Laserwellenlänge λ haben sich in der Praxis besonders bewährt. Insbesondere können Materialien mit einer hohen Reflektivität außerhalb der hier angegebenen mittleren Laserwellenlängen λ, bzw. Laserwellenlängenbereichen, besonders gut verarbeitet werden. Zudem kennen die Erfinder für diese mittleren Laserwellenlängen (im grünen, blauen oder UV-Spektralbereich) keine Singlemode-Faserlaser, und auch keine Multimode-Faserlaser der für 3D-Druck gewünschten, oben genannten Leistungen. Im Rahmen der Erfindung kann ein grüner Scheibenlaser mit Multimode-Laserstrahl gut genutzt werden, insbesondere mit hoher Laserleistung bzw. Produktivität und hoher Fertigungsgenauigkeit.The values for the average laser wavelength λ have proven particularly useful in practice. In particular, materials with a high reflectivity outside the average laser wavelengths λ or laser wavelength ranges specified here can be processed particularly well. In addition, the inventors do not know of any single-mode fiber lasers for these medium laser wavelengths (in the green, blue or UV spectral range), nor any multi-mode fiber lasers with the above-mentioned performances desired for 3D printing. Within the scope of the invention, a green disk laser with a multimode laser beam can be used well, in particular with high laser power or productivity and high manufacturing accuracy.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Laserquelle als ein Scheibenlaser oder Diodenlaser, insbesondere blauer Diodenlaser, ausgebildet.In a further preferred embodiment, the laser source is designed as a disk laser or diode laser, in particular a blue diode laser.
Mit Scheibenlasern können hohe Laserleistungen bereitgestellt werden. Weiterhin kann die modulare Bauweise von Scheibenlasern eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Anlage bieten. Des Weiteren sind die zuvor genannten Laserwellenlängenbereiche einfach durch Frequenzverdopplung oder -verdreifachung der Scheibenlaser zugänglich.Disk lasers can be used to provide high laser powers. Furthermore, the modular design of disk lasers can offer a high degree of flexibility in the design of the system. Furthermore, the aforementioned laser wavelength ranges are easily accessible by doubling or tripling the frequency of the disk lasers.
Diodenlaser ermöglichen eine kompakte Bauweise. Weiterhin können Diodenlaser eine hohe Laserleistung bereitstellen. Ebenso haben Diodenlaser typischerweise eine hohe Lebensdauer (z. B. bis zu 30.000 Stunden).Diode lasers enable a compact design. Furthermore, diode lasers can provide high laser power. Likewise, diode lasers typically have a long service life (e.g. up to 30,000 hours).
Erfindungsgemäßes VerfahrenMethod according to the invention
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zur schichtweisen Fertigung wenigstens eines Objekts auf einer Bauplattform durch lokale Verfestigung von pulverförmigem Material in einer jeweiligen Schicht mit einem Bearbeitungslaserstrahl, insbesondere unter Verwendung einer erfindungsgemä-ßen Anlage wie oben beschrieben,
wobei mit einer Laserquelle ein Ausgangslaserstrahl bereitgestellt wird, wobei der Ausgangslaserstrahl ein Multimode-Laserstrahl ist,
wobei der Ausgangslaserstrahl einem Laserbearbeitungskopf zugeleitet wird,
und wobei mit dem Laserbearbeitungskopf der Bearbeitungslaserstrahl bereitgestellt wird, wobei mit dem Laserbearbeitungskopf
- - der bereitgestellte Ausgangslaserstrahl mit einer Kollimationseinrichtung kollimiert wird, insbesondere wobei der bereitgestellte Ausgangslaserstrahl an einem Faserende eines Lichtleitkabels austritt,
- - ein von der Kollimationseinrichtung bereitgestellter, kollimierter Laserstrahl mit einer Fokussiereinrichtung fokussiert wird,
- - ein an einer Scannereinrichtung einfallender Laserstrahl mit der Scannereinrichtung abgelenkt wird, und
- - ein auf eine gekühlte Blendeneinrichtung gerichteter Laserstrahl mit der Blendeneinrichtung teilweise abgeschattet wird, wobei von dem auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahl ein Anteil mit größerem Divergenzwinkel abgeschattet wird und ein Anteil mit kleinerem Divergenzwinkel durchgelassen wird, wobei der Divergenzwinkel am von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahl bestimmt ist.
wherein an output laser beam is provided with a laser source, the output laser beam being a multimode laser beam,
wherein the output laser beam is fed to a laser processing head,
and wherein the processing laser beam is provided with the laser processing head, wherein with the laser processing head
- - the output laser beam provided is collimated with a collimation device, in particular the output laser beam provided exits at a fiber end of a light guide cable,
- - a collimated laser beam provided by the collimation device is focused with a focusing device,
- - a laser beam incident on a scanner device is deflected by the scanner device, and
- - a laser beam directed at a cooled aperture device is partially shaded with the aperture device, a portion with a larger divergence angle being shaded by the laser beam directed at the aperture device and a portion with a smaller divergence angle being transmitted, the divergence angle being determined on the output laser beam provided by the laser source .
Durch dieses Verfahren kann auf einfache Weise eine schnelle und präzise Herstellung des wenigstens einen Objekts auf der Bauplattform erfolgen.This method allows the at least one object to be produced quickly and precisely on the construction platform in a simple manner.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen VerfahrensPreferred variants of the method according to the invention
Besonders bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die Blendeneinrichtung so gewählt ist, dass ein Strahlparameterprodukt SPPnach eines an der Blendeneinrichtung durchgelassenen Laserstrahls kleiner ist als ein Strahlparameterprodukt SPPvor des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls, mit SPPnach ≤ SPPvor*0,90,
bevorzugt mit SPPnach≤0,80*SPPvor,
besonders bevorzugt mit SPPnach≤0,70*SPPvor.Particularly preferred is a variant of the method according to the invention in which the aperture device is selected such that a beam parameter product SPP after a laser beam transmitted through the aperture device is smaller than a beam parameter product SPP in front of the laser beam directed at the aperture device, with SPP after ≤ SPP before *0 ,90,
preferably with SPP after ≤0.80*SPP before ,
particularly preferably with SPP after ≤0.70*SPP before .
Eine solche Verbesserung (Verkleinerung) des Strahlparameterprodukts SPPnach gegenüber SPPvor (und damit die Qualität des durchgelassenen Laserstrahls) bewirkt bereits eine deutliche Erhöhung der Fertigungspräzision des wenigstens einen Objekts. Meist gilt auch SPPnach≥0,40*SPPvor, bevorzugt SPPnach≥0,50*SPPvor, besonders bevorzugt SPPnach≥0,60*SPPvor; dann wird nicht zu viel Leistung des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls absorbiert, sodass mit einer hohen Produktivität das wenigstens eine Objekt gefertigt werden kann.Such an improvement (reduction) of the beam parameter product SPP after compared to SPP before (and thus the quality of the transmitted laser beam) already brings about a significant increase in the manufacturing precision of the at least one object. In most cases SPP after ≥0.40*SPP before , preferably SPP after ≥0.50*SPP before , particularly preferably SPP after ≥0.60*SPP before ; then not too much power of the laser beam directed at the aperture device is absorbed, so that the at least one object can be manufactured with high productivity.
Eine weitere besonders bevorzugte Variante sieht vor, dass die Blendeneinrichtung so gewählt ist, dass von einer einfallenden Laserleistung EL des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls ein absorbierter Leistungsanteil AB absorbiert wird, mit AB/EL ≥ 0,10,
bevorzugt mit AB/EL ≥ 0,20, besonders bevorzugt AB/EL ≥ 0,25.A further particularly preferred variant provides that the diaphragm device is selected such that an absorbed power component AB is absorbed by an incident laser power EL of the laser beam directed onto the diaphragm device, with AB/EL ≥ 0.10,
preferably with AB/EL ≥ 0.20, particularly preferably AB/EL ≥ 0.25.
Die auf diese Weise ausgeführte Blendeneinrichtung hat sich in der Praxis bewährt. Meist gilt auch AB/EL ≤ 0,60, bevorzugt AB/EL ≤ 0,50, besonders bevorzugt AB/EL ≤ 0,40; dann wird nicht zu viel Leistung des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahls absorbiert, sodass mit einer hohen Produktivität das wenigstens eine Objekt gefertigt werden kann.The aperture device designed in this way has proven itself in practice. AB/EL ≤ 0.60 also applies in most cases, preferably AB/EL ≤ 0.50, particularly preferably AB/EL ≤ 0.40; then not too much power of the laser beam directed at the aperture device is absorbed, so that the at least one object can be manufactured with high productivity.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Variante ist die Blendeneinrichtung fluidgekühlt, wobei die Blendeneinrichtung oder ein mit der Blendeneinrichtung thermisch verbundener Kühlkörper einen oder mehrere Kühlkanäle für ein Kühlfluid aufweist, und der oder die die Kühlkanäle von dem Kühlfluid durchströmt werden.In a likewise preferred variant, the diaphragm device is fluid-cooled, wherein the diaphragm device or a heat sink thermally connected to the diaphragm device has one or more cooling channels for a cooling fluid, and the cooling fluid flows through the cooling channels.
Auf diese Weise kann die Blendeneinrichtung effizient gekühlt werden. Wärme, die durch absorbierte Laserleistung an der Blendeneinrichtung entsteht, kann schnell und in großer Menge abgeführt werden. Eine Verformung oder Beschädigung der Blendeneinrichtung oder weiterer in der Nähe der Blendeneinrichtung angeordnete Bauteile kann verhindert werden. Die Kühlung ist baulich einfach umzusetzen und erhöht den Platzbedarf für den Bearbeitungskopf minimal.In this way, the aperture device can be cooled efficiently. Heat generated by absorbed laser power at the aperture device can be dissipated quickly and in large quantities. Deformation or damage to the aperture device or other components arranged in the vicinity of the aperture device can be prevented. The cooling is structurally simple to implement and minimally increases the space required for the processing head.
Die Fluidkühlung kann über einen externen Kühler erfolgen, der mit der Blendeneinrichtung oder dem Kühlkörper über Fluidleitungen verbunden ist. Als Fluid zur Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser oder ein Silikonöl, oder auch ein Gas, insbesondere Druckluft, verwendet werden. Alternativ kann die Blendeneinrichtung auch über Kühlrippen, die an der Blendeneinrichtung ausgebildet sind oder thermisch mit der Blendeneinrichtung verbunden sind, gekühlt werden, insbesondere wobei die Kühlrippen einem äußeren Luftstrom ausgesetzt sind, der beispielsweise über einen Ventilator eines Lüfters erzeugt wird.The fluid cooling can take place via an external cooler which is connected to the aperture device or the heat sink via fluid lines. For example, a liquid, in particular water or a silicone oil, or a gas, in particular compressed air, can be used as a fluid for cooling. Alternatively, the aperture device can also be cooled via cooling fins that are formed on the aperture device or are thermally connected to the aperture device, in particular wherein the cooling fins are exposed to an external air flow, which is generated, for example, by a fan of a fan.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei der die Blendeneinrichtung zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung im von der Kollimationseinrichtung kollimierten Laserstrahl angeordnet ist.A variant is also advantageous in which the diaphragm device is arranged between the collimation device and the focusing device in the laser beam collimated by the collimation device.
Dies ist baulich besonders einfach einzurichten und umzusetzen. Anteile des kollimierten Laserstrahls können besonders einfach und präzise durch die Blendeneinrichtung abgeschattet werden. Die Abschattung ist dabei unabhängig von der Position der Blendeneinrichtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, was deren Justage vereinfacht.This is structurally particularly easy to set up and implement. Portions of the collimated laser beam can be shaded particularly easily and precisely by the aperture device. The shading is independent of the position of the aperture device along the beam propagation direction, which simplifies its adjustment.
Alternativ kann die Blendeneinrichtung auch vor der Kollimationslinse im von der Laserquelle bereitgestellten Ausgangslaserstrahl angeordnet sein, insbesondere zwischen dem Faserende eines Lichtleitkabels der Laserquelle und der Kollimationseinrichtung im am Faserende des Lichtleitkabels austretenden Ausgangslaserstrahl.Alternatively, the diaphragm device can also be arranged in front of the collimation lens in the output laser beam provided by the laser source, in particular between the fiber end Light guide cable of the laser source and the collimation device in the output laser beam emerging at the fiber end of the light guide cable.
Ebenso vorteilhaft ist eine Variante, in der Scannereinrichtung nach der Fokussiereinrichtung in einem von der Fokussiereinrichtung bereitgestellten, fokussierten Laserstrahl angeordnet ist
Dies ist baulich besonders einfach umzusetzen; die Fokussiereinrichtung kann stets zentrisch und koaxial zum kollimierten Laserstrahl bleiben.Equally advantageous is a variant in which the scanner device is arranged after the focusing device in a focused laser beam provided by the focusing device
This is particularly easy to implement structurally; the focusing device can always remain central and coaxial with the collimated laser beam.
Alternativ kann die Scannereinrichtung zwischen der Kollimationseinrichtung und der Fokussiereinrichtung im von der Kollimationseinrichtung bereitgestellten, kollimierten Laserstrahl angeordnet sein.Alternatively, the scanner device can be arranged between the collimation device and the focusing device in the collimated laser beam provided by the collimation device.
Weiterhin bevorzugt ist eine Variante, die dadurch gekennzeichnet ist, dass für eine Laserleistung P des Ausgangslaserstrahls gilt: P≥200W, bevorzugt P≥500W, besonders bevorzugt P≥1000W, ganz besonders bevorzugt P≥2000W.Also preferred is a variant which is characterized in that the following applies to a laser power P of the output laser beam: P≥200W, preferably P≥500W, particularly preferably P≥1000W, very particularly preferably P≥2000W.
Diese Werte für die Laserleistung P haben sich in der Praxis besonders bewährt. Mit solchen Werten für die Laserleistung P kann eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit erreicht werden.These values for the laser power P have proven particularly useful in practice. With such values for the laser power P, a high production speed can be achieved.
Bevorzugt ist auch eine Variante, in der für eine mittlere Laserwellenlänge λ des Ausgangslaserstrahls gilt: λ ≤ 540nm, bevorzugt 500nm ≤ λ ≤ 540nm oder bevorzugt 330nm ≤ λ ≤ 360nm, besonders bevorzugt λ=515nm.
Die Werte für die mittlere Laserwellenlänge λ haben sich in der Praxis besonders bewährt. Insbesondere können Materialien mit einer hohen Reflektivität außerhalb der hier angegebenen mittleren Laserwellenlängen λ, bzw. Laserwellenlängenbereichen, besonders gut verarbeitet werden. Zudem kennen die Erfinder für diese mittleren Laserwellenlängen (im grünen, blauen oder UV-Spektralbereich) keine Singlemode-Faserlaser, und auch keine Multimode-Faserlaser der für 3D-Druck gewünschten, oben genannten Leistungen. Im Rahmen der Erfindung kann ein grüner Scheibenlaser mit Multimode-Laserstrahl gut genutzt werden, insbesondere mit hoher Laserleistung bzw. Produktivität und hoher Fertigungsgenauigkeit.Also preferred is a variant in which the following applies to a mean laser wavelength λ of the output laser beam: λ ≤ 540nm, preferably 500nm ≤ λ ≤ 540nm or preferably 330nm ≤ λ ≤ 360nm, particularly preferably λ = 515nm.
The values for the average laser wavelength λ have proven particularly useful in practice. In particular, materials with a high reflectivity outside the average laser wavelengths λ or laser wavelength ranges specified here can be processed particularly well. In addition, the inventors do not know of any single-mode fiber lasers for these medium laser wavelengths (in the green, blue or UV spectral range), nor any multi-mode fiber lasers with the above-mentioned performances desired for 3D printing. Within the scope of the invention, a green disk laser with a multimode laser beam can be used well, in particular with high laser power or productivity and high manufacturing accuracy.
Bei einer weiteren bevorzugten Variante ist die Laserquelle als ein Scheibenlaser oder Diodenlaser, insbesondere blauer Diodenlaser, gewählt.In a further preferred variant, the laser source is selected as a disk laser or diode laser, in particular a blue diode laser.
Mit Scheibenlasern können hohe Laserleistungen bereitgestellt werden. Weiterhin kann die modulare Bauweise von Scheibenlasern eine hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Anlage bieten. Des Weiteren sind die zuvor genannten Wellenlängenbereiche einfach durch Frequenzverdopplung oder -verdreifachung der Scheibenlaser zugänglich.Disk lasers can be used to provide high laser powers. Furthermore, the modular design of disk lasers can offer a high degree of flexibility in the design of the system. Furthermore, the aforementioned wavelength ranges are easily accessible by doubling or tripling the frequency of the disk lasers.
Diodenlaser ermöglichen eine kompakte Bauweise. Weiterhin können Diodenlaser eine hohe Laserleistung bereitstellen. Ebenso haben Diodenlaser typischerweise eine hohe Lebensdauer (z. B. bis zu 30.000 Stunden).Diode lasers enable a compact design. Furthermore, diode lasers can provide high laser power. Likewise, diode lasers typically have a long service life (e.g. up to 30,000 hours).
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt die Verwendung einer erfindungsgemäßen Anlage wie oben beschrieben in einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben.Also within the scope of the present invention is the use of a system according to the invention as described above in a method according to the invention as described above.
Die Anlage hat einen einfachen Aufbau und erfordert insbesondere keine großen konstruktiven Änderungen verglichen mit herkömmlichen Anlagen. Mit der Anlage und dem Verfahren kann die schichtweise Fertigung des wenigstens einen Objekts schnell erfolgen und das Objekt kann präzise gefertigt werden.The system has a simple structure and, in particular, does not require any major design changes compared to conventional systems. With the system and the method, the layer-by-layer production of the at least one object can be carried out quickly and the object can be manufactured precisely.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention result from the description and the drawing. Likewise, according to the invention, the features mentioned above and those further detailed can be used individually or in groups in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for describing the invention.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und ZeichnungDetailed description of the invention and drawing
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
-
1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anlage zur schichtweisen Fertigung eines Objekts, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 zeigt eine schematische Ansicht einer Laserquelle, einer Kühleinrichtung und eines Laserbearbeitungskopfs einer erfindungsgemäßen Anlage in einer ersten Ausführungsform, wobei im Laserbearbeitungskopf eine gekühlte Blendeneinrichtung zwischen einer Kollimationseinrichtung und einer Fokussiereinrichtung angeordnet ist; -
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Laserquelle, einer Kühleinrichtung und eines Laserbearbeitungskopfs einer erfindungsgemäßen Anlage in einer zweiten Ausführungsform, wobei im Laserbearbeitungskopf eine gekühlte Blendeneinrichtung vor einer Kollimationseinrichtung angeordnet ist; -
4 zeigt ein schematisches Diagramm, in dem das Strahlparameterprodukt sowie der relative Leistungsverlust eines Bearbeitungslaserstrahls für vier unterschiedliche, durch die Blendeneinrichtung eingestellte Divergenzwinkel aufgetragen ist.
-
1 shows a schematic view of a system according to the invention for the layer-by-layer production of an object for carrying out the method according to the invention; -
2 shows a schematic view of a laser source, a cooling device and a laser processing head of a system according to the invention in a first embodiment, wherein a cooled aperture device is arranged in the laser processing head between a collimation device and a focusing device; -
3 shows a schematic view of a laser source, a cooling device and a laser processing head of a system according to the invention in a second embodiment, wherein a cooled diaphragm device is arranged in front of a collimation device in the laser processing head; -
4 shows a schematic diagram in which the beam parameter product and the relative power loss of a processing laser beam are plotted for four different divergence angles set by the aperture device.
Die Anlage 1 umfasst eine Baukammer 3. Typischerweise ist die Baukammer 3 gasdicht ausgebildet, sodass in der Baukammer 3 eine Schutzgasatmosphäre eingerichtet werden kann.The system 1 includes a
An die Baukammer 3 angeschlossen ist eine Pulverzylinder-Anordnung 4. Die Pulverzylinder-Anordnung 4 weist einen Pulverzylinder 5 für ein pulverförmiges Material 6 (gepunktet dargestellte Fläche) auf. Aus dem pulverförmigen Material 6 wird das Objekt 2 beispielsweise durch Sintern oder Schmelzen gefertigt. Durch schrittweises Hochfahren eines Pulverkolbens 7 wird eine geringe Menge des pulverförmigen Materials 6 über das Niveau eines Bodens 8 der Baukammer 3 angehoben. Mit einem Schieber 9 kann diese geringe Menge des pulverförmigen Materials 6 zu einer Bauzylinder-Anordnung 10 verbracht werden. Überschüssiges pulverförmiges Material 6 kann mit dem Schieber 9 in einen an die Baukammer 3 angeschlossenen Sammelbehälter 11 gestrichen werden.A
Die Bauzylinder-Anordnung 10 ist ebenfalls an die Baukammer 3 angeschlossen. Die Bauzylinder-Anordnung 10 weist eine verfahrbare Kolbenplatte 12 auf, auf der oberseitig eine Bauplattform 13 (schraffiert dargestellte Fläche) angeordnet ist. Auf der Bauplattform 13 wird das Objekt 2 aufgebaut. Die Bauplattform 13 ist mit der Kolbenplatte 12 in einem Grundkörper 14 verfahrbar. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Kolbenplatte 12 bereits mehrfach abgesenkt worden, und das Objekt 2 ist bereits teilweise gefertigt.The
Über eine Laserquelle 15 wird ein Ausgangslaserstrahl 16 bereitgestellt. Der Ausgangslaserstrahl 16 ist ein Multimode-Laserstrahl 16'. Der Ausgangslaserstrahl 16 wird zu einem Laserbearbeitungskopf 17 geführt (für den Aufbau des Laserbearbeitungskopfs 17 siehe
Über ein Fenster 19 wird der Bearbeitungslaserstrahl 18 in die Baukammer 3 geführt. Der Bearbeitungslaserstrahl 18 wird auf eine Prozessebene 20 fokussiert, die typischerweise einer Oberseite einer obersten Schicht 21 des pulverförmigen Materials 6 entspricht. Zur lokalen Verfestigung der obersten Schicht 21 (gestrichelt eingerahmter Bereich) von pulverförmigem Material 6 zur schichtweisen Fertigung des Objekts 2 wird der Bearbeitungslaserstrahl 16 auf vorbestimmte Positionen auf der Prozessebene 20 gelenkt. Der Bearbeitungslaserstrahl 16 wird vom pulverförmigen Material 6 absorbiert. Das pulverförmige Material 6 schmilzt und verfestigt sich wieder, wenn es nicht mehr bestrahlt wird. Das verfestigte Material bildet dann einen weiteren Teil des Objekts 2. Anschließend kann die Bauplattform 13 um eine weitere Schichtdicke abgesenkt, eine weitere Schicht pulverförmigen Materials 6 aufgetragen und lokal verfestigt werden, und so fort.The
Die Laserquelle 15 ist in der hier gezeigten Ausführungsform als ein Scheibenlaser 15a ausgebildet. Die Laserquelle 15 stellt den Ausgangslaserstrahl 16, der ein Multimode-Laserstrahl 16' ist, zur Verfügung. Der Ausgangslaserstrahl 16 hat hier eine Laserleistung P von 2000W und eine mittlere Laserwellenlänge λ von 515nm (es handelt sich also um einen Laserstrahl im grünen Wellenlängenbereich).In the embodiment shown here, the
Ein Lichtleitkabel 23 ist hier an die Laserquelle 15 angeschlossen. Der Ausgangslaserstrahl 16 tritt an einem Faserende 24 des Lichtleitkabels 23 aus. Über das Lichtleitkabel 23 wird der Ausgangslaserstrahl 16 zum Laserbearbeitungskopf 17 geführt. Man beachte, dass am Faserende 24 der Faserradius dem Radius (ωA) des Ausgangslaserstrahls 16 entspricht.A
Der Laserbearbeitungskopf 17 weist eine Kollimationseinrichtung 25, eine gekühlte Blendeneinrichtung 26, eine Fokussiereinrichtung 27 und eine Scannereinrichtung 28 auf. In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Kollimationseinrichtung 25 als eine Kollimationslinse 25a, die gekühlte Blendeneinrichtung 26 als gekühlte Lochblende 26a und die Fokussiereinrichtung 27 als Fokussierlinse 27a ausgebildet. Die Scannereinrichtung 28 umfasst hier einen beweglichen Scannerspiegel 29. Der Scannerspiegel 29 ist hier um zwei Achsen verschwenkbar, beispielsweise mit Piezoaktuatoren (nicht näher dargestellt).The
Der bereitgestellte Ausgangslaserstrahl 16 wird vom Faserende 24 auf die Kollimationseinrichtung 25 im Laserbearbeitungskopf 17 geführt (gerichtet). Die Kollimationseinrichtung 25 kollimiert den Ausgangslaserstrahl 16 und stellt so einen kollimierten Laserstrahl 30 zur Verfügung. Der kollimierte Laserstrahl 30 wird zur Fokussiereinrichtung 27 geführt. In der hier gezeigten Ausführungsform ist zwischen der Kollimationseinrichtung 25 und der Fokussiereinrichtung 27 die Blendeneinrichtung 26 angeordnet.The
Ein auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteter Laserstrahl 31 (hier der kollimierte Laserstrahl 30) wird von der Blendeneinrichtung 26 teilweise abgeschattet. Dabei wird ein Anteil 31a (markiert durch dessen Randstrahl) des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 abgeschattet und ein Anteil 31b (markiert durch dessen Randstrahl) des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 durchgelassen.A laser beam 31 (here the collimated laser beam 30) directed onto the
Ein Divergenzwinkel φA von Anteil 31a ist größer als ein Divergenzwinkel φB von Anteil 31b. Der Divergenzwinkel φA ist an einem zugehörigen Ausgangslaserstrahl-Anteil 16a am von der Laserquelle 15 bereitgestellten Ausgangslaserstrahl 16 (bzw. am Ausgangslaserstrahl 16 insgesamt) bestimmt, wobei hier φA ca. 130mrad ist. Der Divergenzwinkel φB ist an einem zugehörigen Ausgangslaserstrahl-Anteil 16b am von der Laserquelle 15 bereitgestellten Ausgangslaserstrahl 16 bestimmt, wobei hier φB ca. 78mrad ist. Es gilt also, dass φB<φA.A divergence angle φ A of
Der auf die Blendeneinrichtung 26 gerichtete Laserstrahl 31 hat (entsprechend dem größeren Divergenzwinkel φA von Anteil 31a) ein Strahlparameterprodukt SPPvor, welches größer ist als ein Strahlparameterprodukt SPPnach eines an der Blendeneinrichtung 26 durchgelassenen Laserstrahls 32 (entsprechend dem kleineren Divergenzwinkel φB von Anteil 31b). Der durchgelassene Laserstrahl 32 entspricht hier dem Anteil 31b des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 nach Durchqueren der Blendeneinrichtung 26. In der hier gezeigten Ausführungsform ist SPPnach=0,6*SPPvor.The
Der auf die Blendeneinrichtung 26 gerichtete Laserstrahl 31 hat einfallende Laserleistung EL, welche hier im Wesentlichen der Laserleistung P von 2000W des an der Laserquelle 15 bereitgestellten Ausgangslaserstrahls 16 entspricht. An der Blendeneinrichtung 26 wird ein absorbierter Leistungsanteil AB der einfallenden Laserleistung EL des Laserstrahls 31 absorbiert. Der absorbierte Leistungsanteil AB entspricht hier ungefähr 500W; es wird also ungefähr ein Viertel der einfallenden Laserleistung EL absorbiert. Ein durchgelassener Leistungsanteil DL entspricht dann ungefähr 1500W. Durch die Absorption des Leistungsanteils AB in der Blendeneinrichtung 26 erwärmt sich die Blendeneinrichtung 26.The
Um die Wärme effektiv abzuführen, ist die Blendeneinrichtung 26 in der hier gezeigten Ausführungsform thermisch mit einem Kühlkörper 33 verbunden. Der Kühlkörper 33 ist über mit Kühlfluid 34 gefüllten Fluidleitungen 35 mit einem externen Kühler 36 verbunden. Zwischen dem Kühlkörper 33 und dem externen Kühler 36 ist ein Kühlmittelkreislauf eingerichtet. Im Kühlkörper 33 ist ein Kühlkanal 33a für das Kühlfluid 34 eingerichtet.In order to dissipate the heat effectively, the
Der kollimierte Laserstrahl 30, in der hier gezeigten Ausführungsform genauer der durchgelassene Laserstrahl 32, wird zur Fokussiereinrichtung 27 geführt. Die Fokussiereinrichtung 27 fokussiert den kollimierten Laserstrahl 30 und stellt so einen fokussierten Laserstrahl 37 zur Verfügung.The collimated
Der fokussierte Laserstrahl 37 trifft dann als ein einfallender Laserstrahl 38 auf die Scannereinrichtung 28. Der einfallende Laserstrahl 38 wird über den beweglichen Scannerspiegel 29 abgelenkt, aus der Scannereinrichtung 28 und dem Laserbearbeitungskopf 17 herausgeführt und als Bearbeitungslaserstrahl 18 zur Verfügung gestellt.The
Die Laserquelle 15 stellt erfindungsgemäß den Multimode-Laserstrahl 16' bereit. Dieser Multimode-Laserstrahl 16' wird im Laserbearbeitungskopf 17 kollimiert, teilweise abgeschattet, fokussiert und mit der Scannereinrichtung 28 abgelenkt. Beim durch den Laserbearbeitungskopf 17 bereitgestellten Bearbeitungslaserstrahl 18 handelt es sich immer noch um einen Multimode-Laserstrahl, nämlich den Multimode-Bearbeitungslaserstrahl 18'. Durch die hohe Laserleistung P des Multimode-Laserstrahls 16' (verglichen mit einer Laserleistung eines Grundmode-Laserstrahls), die zur Verfügung gestellt wird, und das mittels der Blendeneinrichtung 26 verringerte Strahlparameterprodukt des Bearbeitungslaserstrahls 18 kann eine präzise Fertigung des Objekts besonders schnell erfolgen und eine hohe Produktivität der Anlage erreicht werden.According to the invention, the
Weiterhin wird durch die Blendeneinrichtung 26 erreicht, dass eine Strahlqualität des Bearbeitungslaserstrahls 18 besser ist als eine Strahlqualität des Ausgangslaserstrahls 16. Der Bearbeitungslaserstrahl 18 lässt sich besser fokussieren und eine präzise Fertigung des Objekts mit einem Multimode-Laserstrahl, hier dem Multimode-Bearbeitungslaserstrahl 18', ist möglich.Furthermore, the
Die Laserquelle 15 ist in der hier gezeigten Ausführungsform als ein Diodenlaser 15b, genauer ein blauer Diodenlaser 15b', ausgebildet. Der Ausgangslaserstrahl 16 hat hier eine Laserleistung P von 2000W und eine mittlere Laserwellenlänge λ von 345nm (es handelt sich also um einen Laserstrahl im ultravioletten Wellenlängenbereich).In the embodiment shown here, the
In der hier gezeigten Ausführungsform ist die Blendeneinrichtung 26 vor der Kollimationseinrichtung 25 angeordnet. Die Scannereinrichtung 28 ist zwischen der Kollimationseinrichtung 25 und der Fokussiereinrichtung 27 angeordnet.In the embodiment shown here, the
Der von der Laserquelle 15 bereitgestellte Ausgangslaserstrahl 16 tritt am Faserende 24 des Lichtleitkabels 23 aus und wird zur Kollimationseinrichtung 27 geführt.The
Zwischen dem Faserende 24 und der Kollimationseinrichtung 27 ist die Blendeneinrichtung 26 angeordnet. Der auf die Blendeneinrichtung 26 gerichtete Laserstrahl 31 (hier der Ausgangslaserstrahl 16) wird von der Blendeneinrichtung 26 teilweise abgeschattet. Dabei wird der Anteil 31a des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 abgeschattet und der Anteil 31b des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 durchgelassen. Der durchgelassene Laserstrahl 32 entspricht hier dem Anteil 31b des auf die Blendeneinrichtung 26 gerichteten Laserstrahls 31 nach Durchqueren der Blendeneinrichtung 26.The
Der Divergenzwinkel φA von Anteil 31a ist größer als ein Divergenzwinkel φB von Anteil 31b. Der Divergenzwinkel φA ist am Ausgangslaserstrahl-Anteil 16a (der hier dem Anteil 31a entspricht) am von der Laserquelle 15 bereitgestellten Ausgangslaserstrahl 16 (also durch den gesamten Ausgangslaserstrahl 16) bestimmt. Der Divergenzwinkel φB ist an dem Ausgangslaserstrahl-Anteil 16b (der hier dem Anteil 31b entspricht) am von der Laserquelle 15 bereitgestellten Ausgangslaserstrahl 16 bestimmt. Es gilt wiederum, dass φB<φA. Man beachte, dass in der gezeigten Ausführungsform durch Verschieben der Blendeneinrichtung 26 in Strahlausbreitungsrichtung die Größe des Divergenzwinkels φB verändert werden kann. Der Divergenzwinkel φB wird hier umso kleiner, je näher die Blendeneinrichtung 26 zur Kollimationseinrichtung 25 hin verschoben wird.The divergence angle φ A of
Um die dem absorbierten Anteil AB zugehörige Wärme effektiv abzuführen, ist die Blendeneinrichtung 26 in der hier gezeigten Ausführungsform wiederum thermisch mit dem Kühlkörper 33 verbunden. Auf dem Kühlkörper 33 sind hier Kühlrippen 39 angebracht. Über einen Ventilator 40 eines Lüfters 41 wird ein äußerer Luftstrom 42 erzeugt. Die Kühlrippen 39 sind dem äußeren Luftstrom 42 ausgesetzt und werden auf diese Weise gekühlt.In order to effectively dissipate the heat associated with the absorbed portion AB, the
Der Ausgangslaserstrahl 16, in der hier gezeigten Ausführungsform genauer der durchgelassene Laserstrahl 32, wird zur Kollimationseinrichtung 25 geführt. Die Kollimationseinrichtung 25 kollimiert den Ausgangslaserstrahl 16 und stellt so den kollimierten Laserstrahl 30 zur Verfügung.The
Der kollimierte Laserstrahl 30 trifft dann als der einfallende Laserstrahl 38 auf die Scannereinrichtung 28. Der einfallende Laserstrahl 38 wird über den beweglichen Scannerspiegel 29 abgelenkt und aus der Scannereinrichtung 28 als kollimierter Laserstrahl 30 heraus zur Fokussiereinrichtung 27 geführt. Die Fokussiereinrichtung 27 fokussiert den kollimierten Laserstrahl 30 und stellt so den fokussierten Laserstrahl 37 zur Verfügung. Der fokussierte Laserstrahl 37 wird aus dem Laserbearbeitungskopf 17 herausgeführt und als Bearbeitungslaserstrahl 18 zur Verfügung gestellt.The collimated
Auf der Abszisse sind die vier unterschiedlichen Werte (70 mrad, 78 mrad, 102 mrad, 114 mrad) für den Divergenzwinkel φB (in mrad) eingetragen (man beachte, dass die Abstände auf der Abszisse nicht gleichmäßig verteilt sind). Die linke Ordinate zeigt (mit Lineatur) das Strahlparameterprodukt SPP (in mm*mrad) bzw. SPPB des Bearbeitungslaserstrahls und die rechte Ordinate zeigt (ohne Lineatur) den relativen Leistungsverlust (in %) des Bearbeitungslaserstrahls durch das teilweise Abschatten des Ausgangslaserstrahls durch die Blendeneinrichtung. Eine erste Kurve 43 zeigt den relativen Leistungsverlust durch die Blendeneinrichtung bei den verschiedenen Divergenzwinkeln. Eine zweite Kurve 44 zeigt das erhaltene Strahlparameterprodukt SPP des Bearbeitungslaserstrahls bei den verschiedenen, eingestellten Divergenzwinkeln.The four different values (70 mrad, 78 mrad, 102 mrad, 114 mrad) for the divergence angle φ B (in mrad) are entered on the abscissa (note that the distances on the abscissa are not evenly distributed). The left ordinate shows (with ruling) the beam parameter product SPP (in mm*mrad) or SPP B of the processing laser beam and the right ordinate shows (without ruling) the relative power loss (in%) of the processing laser beam due to the partial shadowing of the output laser beam by the aperture device tung. A
Bei einem durch die Blendeneinrichtung eingestellten Divergenzwinkel φB von 114 mrad kann ein Bearbeitungslaserstrahl mit einem Strahlparameterprodukt SPP von ungefähr 3,2 mm*mrad erhalten werden. Der relative Leistungsverlust des Laserstrahls beträgt ungefähr 9%. In diesem Fall ist die verbleibende Leistung des Bearbeitungslaserstrahls noch sehr hoch und für eine sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeit geeignet, jedoch ist auch das Strahlparameterprodukt noch relativ hoch, wenn auch deutlich niedriger als ohne Verwendung der Blendeneinrichtung.With a divergence angle φ B of 114 mrad set by the aperture device, a processing laser beam with a beam parameter product SPP of approximately 3.2 mm*mrad can be obtained. The relative power loss of the laser beam is approximately 9%. In this case, the remaining power of the processing laser beam is still very high and suitable for a very high production speed, but the beam parameter product is also still relatively high, although significantly lower than without using the aperture device.
Bei einem durch die Blendeneinrichtung eingestellten Divergenzwinkel φB von 102 mrad (also einer Verringerung um 12 mrad zum vorherigen Divergenzwinkel von 114 mrad) hat der Bearbeitungslaserstrahl ein Strahlparameterprodukt SPP von ungefähr 2,6 mm*mrad. Das Strahlparameterprodukt verbessert sich also um ungefähr 0,6 mm*rad. Der relative Leistungsverlust des Laserstrahls beträgt ungefähr 18%. In diesem Fall ist die verbleibende Leistung des Bearbeitungslaserstrahls etwas niedriger, aber immer noch gut für eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit. Ebenfalls lässt sich der Bearbeitungslaserstrahl besser fokussieren, sodass eine präzisere Bearbeitung des Objekts bei der Fertigung ermöglicht wird.With a divergence angle φ B of 102 mrad set by the aperture device (i.e. a reduction of 12 mrad from the previous divergence angle of 114 mrad), the processing laser beam has a beam parameter product SPP of approximately 2.6 mm*mrad. The beam parameter product therefore improves by approximately 0.6 mm*rad. The relative power loss of the laser beam is approximately 18%. In this case, the remaining power of the processing laser beam is slightly lower, but still good for high manufacturing speed. The processing laser beam can also be focused better, enabling more precise processing of the object during production.
Bei einem durch die Blendeneinrichtung eingestellten Divergenzwinkel φB von 78 mrad (also einer Verringerung um 24 mrad zum vorherigen Divergenzwinkel von 102 mrad) hat der Bearbeitungslaserstrahl ein Strahlparameterprodukt SPP von ungefähr 2,05 mm*mrad. Das Strahlparameterprodukt verbessert sich also um ungefähr 0,6 mm*rad. Der relative Leistungsverlust des Laserstrahls beträgt ungefähr 27%. In diesem Fall ist die verbleibende Leistung des Bearbeitungslaserstrahls noch etwas niedriger als zuvor, aber immer noch gut für eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit. Der Laserstrahl lässt sich noch besser fokussieren, sodass eine noch präzisere Bearbeitung des Objekts bei der Fertigung ermöglicht wird.With a divergence angle φ B of 78 mrad set by the aperture device (i.e. a reduction of 24 mrad from the previous divergence angle of 102 mrad), the processing laser beam has a beam parameter product SPP of approximately 2.05 mm*mrad. The beam parameter product therefore improves by approximately 0.6 mm*rad. The relative power loss of the laser beam is approximately 27%. In this case, the remaining power of the processing laser beam is still slightly lower than before, but still good for high production speed. The laser beam can be focused even better, enabling even more precise processing of the object during production.
Bei einem durch die Blendeneinrichtung eingestellten Divergenzwinkel φB von 70 mrad (also einer Verringerung um 8 mrad zum vorherigen Divergenzwinkel von 78 mrad) hat der Bearbeitungslaserstrahl ein Strahlparameterprodukt SPP von ungefähr 1,85 mm*mrad. Das Strahlparameterprodukt verbessert sich also um ungefähr 0,2 mm*rad. Der relative Leistungsverlust des Laserstrahls beträgt ungefähr 37%. In diesem Fall ist die verbleibende Leistung des Bearbeitungslaserstrahls noch einmal niedriger als zuvor, sodass die erreichbare Fertigungsgeschwindigkeit etwas vermindert wird. Der Laserstrahl lässt sich jedoch noch einmal besser fokussieren, sodass eine noch präzisere Bearbeitung des Objekts bei der Fertigung ermöglicht wird.With a divergence angle φ B of 70 mrad set by the aperture device (i.e. a reduction of 8 mrad from the previous divergence angle of 78 mrad), the processing laser beam has a beam parameter product SPP of approximately 1.85 mm*mrad. The beam parameter product therefore improves by approximately 0.2 mm*rad. The relative power loss of the laser beam is approximately 37%. In this case, the remaining power of the processing laser beam is even lower than before, so that the achievable production speed is somewhat reduced. However, the laser beam can be focused even better, enabling even more precise processing of the object during production.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- AnlageAttachment
- 22
- Objektobject
- 33
- BaukammerConstruction chamber
- 44
- Pulverzylinder-AnordnungPowder cylinder arrangement
- 55
- PulverzylinderPowder cylinder
- 66
- pulverförmiges Materialpowdery material
- 77
- Pulverkolbenpowder flask
- 88th
- Boden (der Baukammer)Floor (of the building chamber)
- 99
- SchieberSlider
- 1010
- Bauzylinder-AnordnungConstruction cylinder arrangement
- 1111
- Sammelbehältercollection container
- 1212
- KolbenplattePiston plate
- 1313
- Bauplattformconstruction platform
- 1414
- GrundkörperBasic body
- 1515
- LaserquelleLaser source
- 15a15a
- ScheibenlaserDisk laser
- 15b15b
- Diodenlaserdiode laser
- 15b'15b'
- blauer Diodenlaserblue diode laser
- 1616
- AusgangslaserstrahlOutput laser beam
- 16'16'
- Multimode-LaserstrahlMultimode laser beam
- 16a, b16a, b
- Ausgangslaserstrahl-AnteilOutput laser beam proportion
- 1717
- LaserbearbeitungskopfLaser processing head
- 1818
- BearbeitungslaserstrahlProcessing laser beam
- 18'18'
- Multimode-BearbeitungslaserstrahlMultimode processing laser beam
- 1919
- FensterWindow
- 2020
- ProzessebeneProcess level
- 2121
- (oberste) Schicht(top layer
- 2222
- KühleinrichtungCooling device
- 2323
- LichtleitkabelLight guide cable
- 2424
- Faserendefiber end
- 2525
- KollimationseinrichtungCollimation device
- 25a25a
- Kollimationslinsecollimating lens
- 2626
- BlendeneinrichtungAperture setup
- 26a26a
- LochblendePinhole
- 2727
- FokussiereinrichtungFocusing device
- 27a27a
- FokussierlinseFocusing lens
- 2828
- ScannereinrichtungScanner facility
- 2929
- (beweglicher) Scannerspiegel(movable) scanner mirror
- 3030
- kollimierter Laserstrahlcollimated laser beam
- 3131
- auf die Blendeneinrichtung gerichteter LaserstrahlLaser beam directed at the aperture device
- 31a31a
- abgeschatteter Anteil des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahlsshaded portion of the laser beam directed at the aperture device
- 31b31b
- durchgelassener Anteil des auf die Blendeneinrichtung gerichteten Laserstrahlstransmitted portion of the laser beam directed at the aperture device
- 3232
- durchgelassener Laserstrahltransmitted laser beam
- 3333
- KühlkörperHeat sink
- 33a33a
- KühlkanalCooling channel
- 3434
- KühlfluidCooling fluid
- 3535
- FluidleitungFluid line
- 3636
- externer Kühlerexternal cooler
- 3737
- fokussierter Laserstrahlfocused laser beam
- 3838
- einfallender Laserstrahl (an der Scannereinrichtung)incident laser beam (at the scanner device)
- 3939
- Kühlrippencooling fins
- 4040
- Ventilatorfan
- 4141
- LüfterFan
- 4242
- LuftstromAirflow
- 4343
- erste Kurve (Leistungsverluste)first curve (power losses)
- 4444
- zweite Kurve (SPPB-Werte)second curve (SPP B values)
- φaφa
- Divergenzwinkel (Ausgangslaserstrahl)Divergence angle (output laser beam)
- φbφb
- Divergenzwinkel (Bearbeitungslaserstrahl)Divergence angle (processing laser beam)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- CN 112605525 A [0008]CN 112605525 A [0008]
- CN 107866639 A [0009]CN 107866639 A [0009]
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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Country Status (1)
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5670069A (en) | 1994-12-22 | 1997-09-23 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Laser processing method |
| US6420676B2 (en) | 1996-10-01 | 2002-07-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Method for machining wiring board with laser beam and device for same |
| US6555781B2 (en) | 1999-05-10 | 2003-04-29 | Nanyang Technological University | Ultrashort pulsed laser micromachining/submicromachining using an acoustooptic scanning device with dispersion compensation |
| CN107866639A (en) | 2016-09-26 | 2018-04-03 | 住友重机械工业株式会社 | Laser processing device and laser processing |
| DE112013007410B4 (en) | 2013-10-15 | 2020-01-30 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Cooling system for an optical element of a laser system and arrangement of a laser system with a cooling system |
| US10688771B2 (en) | 2016-04-26 | 2020-06-23 | University Of Southern California | 3D printing with variable voxel sizes based on optical filter |
| CN112605525A (en) | 2020-11-17 | 2021-04-06 | 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 | Laser output optical cable |
| US20210268741A1 (en) | 2018-06-27 | 2021-09-02 | Csir | Thermo optical control of focus position of an energy beam in an additive manufacturing apparatus |
| US20220234137A1 (en) | 2021-01-28 | 2022-07-28 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Laser processing head having a diaphragm to increase scan field of the laser beam |
-
2022
- 2022-05-06 DE DE102022111298.5A patent/DE102022111298A1/en active Pending
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5670069A (en) | 1994-12-22 | 1997-09-23 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Laser processing method |
| US6420676B2 (en) | 1996-10-01 | 2002-07-16 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Method for machining wiring board with laser beam and device for same |
| US6555781B2 (en) | 1999-05-10 | 2003-04-29 | Nanyang Technological University | Ultrashort pulsed laser micromachining/submicromachining using an acoustooptic scanning device with dispersion compensation |
| DE112013007410B4 (en) | 2013-10-15 | 2020-01-30 | Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh | Cooling system for an optical element of a laser system and arrangement of a laser system with a cooling system |
| US10688771B2 (en) | 2016-04-26 | 2020-06-23 | University Of Southern California | 3D printing with variable voxel sizes based on optical filter |
| CN107866639A (en) | 2016-09-26 | 2018-04-03 | 住友重机械工业株式会社 | Laser processing device and laser processing |
| US20210268741A1 (en) | 2018-06-27 | 2021-09-02 | Csir | Thermo optical control of focus position of an energy beam in an additive manufacturing apparatus |
| CN112605525A (en) | 2020-11-17 | 2021-04-06 | 武汉锐科光纤激光技术股份有限公司 | Laser output optical cable |
| US20220234137A1 (en) | 2021-01-28 | 2022-07-28 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Laser processing head having a diaphragm to increase scan field of the laser beam |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Grüner Laser schmilzt reines Kupfer. Presseinformation von Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden, Deutschland, 13. August 2020. URL:https://www.iws.fraunhofer.de/de/newsundmedien/presseinformationen/2020/presseinformation_2020-07.html [abgerufen am 13.01.2023] |
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| R082 | Change of representative |
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|
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Representative=s name: GLEISS GROSSE SCHRELL UND PARTNER MBB PATENTAN, DE |