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DE29824994U1 - Apparatus for scanning an object surface with a laser beam comprises a plotter with two linear axes, an optical device, a scanner, and a lens to focus the beam - Google Patents

Apparatus for scanning an object surface with a laser beam comprises a plotter with two linear axes, an optical device, a scanner, and a lens to focus the beam Download PDF

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DE29824994U1
DE29824994U1 DE29824994U DE29824994U DE29824994U1 DE 29824994 U1 DE29824994 U1 DE 29824994U1 DE 29824994 U DE29824994 U DE 29824994U DE 29824994 U DE29824994 U DE 29824994U DE 29824994 U1 DE29824994 U1 DE 29824994U1
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laser beam
object surface
carrier element
plotter
focusing
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Abstract

Apparatus for scanning an object surface with a laser beam comprises a plotter with two linear axes (4, 5) over which the object surface is positioned and can be moved; an optical device that guides the laser beam (8) to the support element or on the support element; a scanner (9) on the support element to steer the beam onto the object and moving in a prescribed angle to and fro; and a lens (15) to focus the beam onto the surface.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers mittels selektivem Laserschmelzen, beispielsweise des Prototyps eines Bauteils.The invention relates to a device for producing a shaped body using selective laser melting, for example the prototype of a component.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich in erster Linie auf eine Technik, die unter dem Namen Rapid Prototyping bekannt ist. Rapid Prototyping-Verfahren werden in der Produktentwicklung eingesetzt, um die Produktentwicklungszeit zu verkürzen sowie die Produktqualität zu steigern. Dies wird dadurch ermöglicht, daß mittels der Rapid Prototyping-Verfahren Prototypen sehr schnell direkt aus dem 3D CAD Modell hergestellt werden können. Die bisher erforderliche zeitaufwendige Erstellung eines NC-Programms für eine Fräs- oder Erodierbearbeitung oder die Herstellung formgebender Werkzeuge entfällt.The present invention relates primarily on a technique called Rapid Prototyping is known. Rapid prototyping processes are used in the Product development used to increase the product development time shorten as well as the product quality to increase. This is made possible by the rapid prototyping process Prototypes made very quickly directly from the 3D CAD model can be. The previously required time-consuming creation of an NC program for one Milling or EDM machining or the production of shaping tools is no longer necessary.

Die Entwicklung neuer bzw. die Weiterentwicklung bestehender Rapid Prototyping-Verfahren hat das Ziel, möglichst seriennahe oder sogar serienidentische Werkstoffe verarbeiten zu können. Dies gilt vor allem für metallische Prototypen oder Prototyp-Werkzeuge. Das bekannte Verfahren des selektiven Laser-Schmelzens ermöglicht die Herstellung von Bauteilen aus handelsüblichen Stählen. Die Bauteile werden, wie bei allen Rapid Prototyping-Verfahren, schichtweise hergestellt. Dazu wird der Werkstoff in Pulverform jeweils als dünne Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Das Pulver wird lokal, entsprechend der Bauteilgeometrie der zu bearbeitenden Schicht, mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen. Die mit diesem Verfahren hergestellten Bauteile aus Stahl (z.B. aus Edelstahl 1.4404) erreichen bzgl. ihrer Dichte und Festigkeit die angegebenen Werkstoffspezifikationen. Damit können sie als Funktionsprototypen oder direkt als fertiges Bauteil eingesetzt werden.The development of new ones or the further development existing rapid prototyping process has the goal, if possible Process near-series or even series-identical materials can. This is especially true for metallic prototypes or prototype tools. The well-known process selective laser melting enables the production of Components from commercially available Steels. As with all rapid prototyping processes, the components are produced in layers. For this, the material is in powder form each as a thin Layer applied to a construction platform. The powder is local, according to the component geometry of the layer to be processed, melted with a laser beam. The manufactured with this method Steel components (e.g. stainless steel 1.4404) achieve their density and strength the specified material specifications. With that they can can be used as functional prototypes or directly as a finished component.

In der DE 196 49 865 C1 wird hierzu ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein bindemittel- und flußmittelfreies metallisches Werkstoffpulver auf die Bauplattform aufgebracht und durch den Laserstrahl entsprechend der Bauteilgeometrie auf Schmelztemperatur erhitzt wird. Die Energie des Laserstrahls wird so gewählt, daß das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird bei diesem Verfahren in mehreren Spuren derart über den vorgegebenen Bereich der jeweiligen Werkstoffpulverschicht geführt, daß jede folgende Spur des Laserstrahls die vorherige Spur teilweise überlappt. Gleichzeitig wird eine Schutzgasatmosphäre über der Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem metallischen Werkstoffpulver aufrechterhalten, um Fehlstellen zu vermeiden, die beispielsweise durch Oxidation hervorgerufen werden können.In the DE 196 49 865 C1 For this purpose, a method is proposed in which a metallic material powder which is free of binder and flux is applied to the construction platform and is heated to the melting temperature by the laser beam in accordance with the component geometry. The energy of the laser beam is chosen so that the metallic material powder at the point of impact of the laser beam is completely melted over its entire layer thickness. In this method, the laser beam is guided in several tracks over the specified area of the respective material powder layer in such a way that each subsequent track of the laser beam partially overlaps the previous track. At the same time, a protective gas atmosphere is maintained over the interaction zone of the laser beam with the metallic material powder in order to avoid defects which can be caused, for example, by oxidation.

Die zur Bauteilkontur gehörende Fläche jeder Schicht wird beiden Verfahren des selektiven Laser – Schmelzens zeilenweise vom fokussierten Laserstrahl abgefahren. Die erreichbare Detailauflösung und die Oberflächenqualität der hergestellten Teile hängen dabei entscheidend vom Durchmesser des fokussierten Laserstrahls ab.The surface of each part belonging to the component contour Layer is used in both selective laser melting processes scanned line by line by the focused laser beam. The attainable detail resolution and the surface quality of the manufactured parts hang decisive for the diameter of the focused laser beam from.

Zur Bewegung eines fokussierten Laserstrahls auf einer feststehenden Bearbeitungsebene sind bisher zwei grundsätzlich unterschiedliche Techniken bekannt.For moving a focused laser beam so far, two are fundamentally different on a fixed processing level Known techniques.

Im Zusammenhang mit dem Rapid Prototyping mittels Laser- bzw. Lichtstrahl werden in der Regel optische Scannersysteme eingesetzt. Beim Scannersystem erfolgt die Positionierung und Bewegung des fokussierten Laserstrahls auf der Bearbeitungsebene für jede Richtung (x- und y- Richtung) durch Verdrehung jeweils eines Spiegels. Die Verwendung einer Scanneroptik bei einem Verfahren zum Laserstrahl-Sintern ist beispielsweise in der Veröffentlichung von Heinz Haferkamp et al., Laserstrahl-Sintern zur Herstellung von Blechformwerkzeugen, in der Zeitschrift "BLECH ROHRE PROFILE, 43 (1996) 6, Seiten 317 bis 319, schematisch dargestellt.In connection with rapid prototyping Laser or light beams are usually used to create optical scanner systems used. The positioning and movement takes place with the scanner system of the focused laser beam on the processing plane for each direction (x and y direction) Rotation of one mirror at a time. The use of scanner optics in a method for laser beam sintering, for example, in the publication by Heinz Haferkamp et al., laser beam sintering for production von Blechformwerkzeugen, in the magazine "BLECH ROHRE PROFILE, 43 (1996) 6, pages 317 to 319, shown schematically.

Der Nachteil des Scannersystems liegt jedoch darin, daß bei einem vorgegebenen maximalen Drehwinkel der Spiegel die Größe der bearbeitbaren Fläche von der Brennweite der Fokussieroptik abhängt. Eine Vergrößerung der bearbeitbaren Fläche kann nur durch eine längere Brennweite erreicht werden. Mit der Vergrößerung der Brennweite vergrößert sich jedoch bei sonst gleichen optischen Elementen auch der Fokusdurchmesser des Laserstrahls. Die erreichbare Detailauflösung und die Oberflächenqualität der hergestellten Teile werden damit reduziert.The disadvantage of the scanner system lies however, in that a predetermined maximum angle of rotation of the mirror the size of the workable area depends on the focal length of the focusing optics. An enlargement of the editable area can only by a longer one Focal length can be achieved. As the focal length increases, it increases but with otherwise identical optical elements also the focus diameter of the laser beam. The achievable detail resolution and the surface quality of the manufactured Parts are reduced.

Aus anderen Bereichen der Materialbearbeitung mit Lasern ist auch der Einsatz von Plottersystemen bekannt. Beim Plottersystem wird der Laserstrahl entlang zweier Linearachsen geführt. Durch geeignete Bewegung der Achsen kann der Laserstrahl jede beliebige Bahn auf der Bearbeitungsebene beschreiben.From other areas of material processing with lasers, the use of plotter systems is also known. At the Plotter system, the laser beam is guided along two linear axes. By suitable Movement of the axes allows the laser beam to follow any path describe the working plane.

Die Verwendung eines Plottersystems hat den Vorteil, daß die Größe der bearbeitbaren Fläche nur durch die Länge der verwendeten Linearachsen begrenzt ist. Außerdem kann auf einfache Weise eine Schutzgasdüse durch Kopplung an die Linearachsen gleichzeitig mit dem Laserstrahl mitbewegt werden.The use of a plotter system has the advantage that the Size of editable Area only through the length of the linear axes used is limited. In addition, a Shield Cup by coupling to the linear axes simultaneously with the laser beam be moved.

Der Nachteil des Plottersystems liegt jedoch darin, daß sich aufgrund der Mechanik mit einem Plottersystem im Vergleich zum Scannersystem nur wesentlich geringere Bearbeitungsgeschwindigkeiten realisieren lassen. Insbesondere die für das selektive Laser-Schmelzen bevorzugten Bearbeitungsgeschwindigkeiten von > 200 mm/s lassen sich mit einem Plottersystem nicht mit ausreichender Genauigkeit realisieren.The disadvantage of the plotter system lies however, in that due to the mechanics with a plotter system compared to the scanner system only realize significantly lower processing speeds to let. Especially those for the selective laser melting preferred machining speeds of> 200 mm / s not with sufficient accuracy with a plotter system realize.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers mittels selektivem Laserschmelzen anzugeben, die eine ausreichend große Bearbeitungsfläche und Bearbeitungsgeschwindigkeit bei einem geringen Durchmesser des fokussierten Laserstrahls ermöglicht.The object of the present invention is to provide a device for producing a shaped body by means of selective laser melting admit that allows a sufficiently large processing area and processing speed with a small diameter of the focused laser beam.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.The task is done with the device solved according to claim 1. Advantageous embodiments of the device are the subject of Dependent claims.

Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, daß beim selektiven Laser-Schmelzen oder Laser-Sintern der Durchmesser des Laserstrahls beim Auftreffen auf die Bearbeitungsfläche kleiner als die Breite der zu schmelzenden Fläche bzw. Struktur ist. Hierdurch ist es erforderlich, den Laser auf mehreren nebeneinanderliegenden Spuren zu führen, um die gesamte zu schmelzende Fläche abzudecken. Erfindungsgemäß wurde dabei erkannt, daß durch geeignete Aufteilung dieser Fläche bzw. der Laserspuren auf der Fläche zwei unterschiedlich schnelle Systeme für die Führung des Laserstrahls eingesetzt werden können. Während der Laserstrahl zum Abtasten von kleinen Teilflächen mittels einer Scanneroptik, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, mit hoher Geschwindigkeit hin und herbewegt werden kann, wird die gesamte Scanneroptik mit Hilfe zweier Linearachsen über der Bearbeitungsfläche weiter bewegt, um auf diese Weise die weiteren Teilflächen zu erreichen. Für diese Linearbewegung, die größtenteils quer zur Abtastrichtung der Scanneroptik erfolgt, ist nur eine geringere Geschwindigkeit erforderlich. Die Abtastbewegung der Scanneroptik selbst muß jeweils nur einen kleinen Bereich abdecken, so daß dafür eine Fokussieroptik mit kurzer Brennweite eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht somit ein Plottersystem mit zwei voneinander unabhängigen Linearachsen bzw. -antrieben vor, auf dem zusätzlich eine Scanneroptik angebracht ist.According to the invention, use is made of the fact that selective Laser melting or laser sintering the diameter of the laser beam when hitting the processing area smaller than the width the area to be melted or structure. This makes it necessary to turn the laser on several tracks lying side by side to make the entire one to be melted area cover. According to the invention recognized that by appropriate division of this area or the laser tracks on the surface two Different speed systems are used for guiding the laser beam can be. During the Laser beam for scanning small areas using scanner optics, as is known from the prior art, at high speed the entire scanner optics can be moved back and forth With the help of two linear axes the processing area moved further in this way to the other partial areas to reach. For this linear movement, which is mostly transverse to the scanning direction of the scanner optics is only a minor one Speed required. The scanning movement of the scanner optics itself must in each case cover only a small area, so that focusing optics with short Focal length can be used. The device according to the invention sees a plotter system with two independent linear axes or drives, on the additional scanner optics is attached.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint damit die Vorteile der schnellen Bewegung eines fokussierten Laserstrahls mittels eines Scanners mit den Vorteilen der von der Brennweite der Fokussieroptik unabhängigen Größe des Bearbeitungsfeldes durch die Bewegung des Strahls mittels eines Plotters. Weiterhin wird durch diese Vorrichtung auf einfache Weise die Mitführung einer Schutzgasdüse ermöglicht. Der Laserstrahl kann mit einer kurzbrennweitigen Optik auf einen Durchmesser von < 200 μm fokussiert werden und gleichzeitig kann eine beliebig große Fläche mit Geschwindigkeiten von > 200 mm/s damit bearbeitet werden.The device according to the invention thus combines the advantages of the fast movement of a focused laser beam using a scanner with the advantages of focal length the focusing optics independent size of the processing field the movement of the beam by means of a plotter. Will continue by carrying this device in a simple manner Shield Cup allows. The laser beam can be focused on one with a short focal length optics Focused on a diameter of <200 μm and at the same time any surface of any size can be processed at speeds of> 200 mm / s become.

Bei Einsatz der Vorrichtung mit einer Datenverarbeitungsanlage zur Steuerung der Vorrichtung wird die zu bearbeitende Fläche in vorzugsweise streifenförmige Teilflächen (Streifen) unterteilt. Die Bearbeitung der gesamten Fläche erfolgt, indem nacheinander die einzelnen Streifen bearbeitet werden. Die einzelnen Streifen werden bearbeitet, indem die Fläche innerhalb eines Streifens spurweise mit dem Laserstrahl abgefahren wird. Dabei wird eine hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls innerhalb einer Spur benötigt. Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl von Spur zu Spur versetzt wird, ist demgegenüber geringer.When using the device with a Data processing system for controlling the device area to be worked in preferably strip-shaped subareas (Stripes) divided. The entire area is processed, by processing the individual strips one after the other. The Individual strips are edited by placing the area inside of a strip is scanned with the laser beam. there high speed of movement of the laser beam within one track needed. The speed at which the laser beam is moved from track to track is against it lower.

Zur Bewegung des Laserstrahls wird ein Scanner auf einen Plotter montiert. Die schnelle Bewegung des Laserstrahls innerhalb einer Spur wird vom Scanner ausgeführt. Die Bewegung des Laserstrahls von Spur zu Spur und von Streifen zu Streifen wird vom Plotter ausgeführt, indem mit dem Plotter der gesamte Scanner weiter bewegt wird.For moving the laser beam a scanner mounted on a plotter. The fast movement of the Laser beam within a track is carried out by the scanner. The Movement of the laser beam from track to track and from strip to strip carried out by the plotter, by moving the entire scanner with the plotter.

Da mit dieser Anordnung die Auslenkung des Laserstrahls durch den Scanner nur innerhalb des jeweiligen Streifens erfolgt, entspricht die maximale Auslenkung des Laserstrahls durch den Scanner der Streifenbreite. Wird die Streifenbreite klein gewählt (z.B. < 5 mm), so kann die Laserstrahlung mit einer kurzbrennweitigen Fokussieroptik (z.B. f < 100 mm) auf einen entsprechend kleinen Durchmesser (z.B. < 200 μm) fokussiert werden. Durch geeignete Wahl der Streifenbreite und der Fokussieroptik können auch Fokusdurchmesser des Laserstrahls von 10 μm in der Bearbeitungsebene erreicht werden.Because with this arrangement the deflection of the laser beam through the scanner only within the respective strip takes place, corresponds to the maximum deflection of the laser beam the strip width scanner. If the strip width is chosen small (e.g. <5 mm), then the laser radiation with a short focal length focusing optics (e.g. f <100 mm) a correspondingly small diameter (e.g. <200 μm). By suitable choice of the strip width and the focusing optics can also Focus diameter of the laser beam of 10 μm reached in the working plane become.

Durch Montage einer Schutzgasdüse auf dem Plotter wird diese mit der Plotterbewegung mitgeführt. Da die Düse jedoch nur mit dem Plotter mitbewegt wird, aber nicht der Bewegung des Laserstrahls durch den Scanner folgt, wird die Breite der Düsenöffnung größer oder gleich der Streifenbreite gewählt. Damit ist gewährleistet, daß in der Wechselwirkungszone des Laserstrahls ständig eine Schutzgasströmung vorhanden ist.By mounting a protective gas nozzle on the Plotter is carried along with the plotter movement. There the nozzle but is only moved with the plotter, but not the movement follows the laser beam through the scanner, the width of the nozzle opening becomes larger or chosen equal to the strip width. This ensures that in a protective gas flow is always present in the interaction zone of the laser beam is.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigenThe invention is described below of an embodiment explained again in connection with the drawings. Show here

1 ein Beispiel für eine Zerlegung einer zu bearbeitenden Fläche in Teilflächen; 1 an example of a division of a surface to be machined into partial surfaces;

2 schematisch ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht; und 2 schematically an example of the device according to the invention in supervision; and

3 das Beispiel aus 2 in Seitenansicht. 3 the example from 2 in side view.

Im oberen Teil der 1 ist eine zu bearbeitende Gesamtfläche 1 eines Bauteils dargestellt, die mit dem Laserstrahl abgetastet werden soll. Die zu bearbeitende Fläche 1 wird in streifenförmige Teilflächen 2 unterteilt, wie im unteren Teil der Figur vereinfacht mit nur 2 Teilflächen dargestellt ist. Eine geeignete Aufteilung in Teilflächen kann mit Hilfe einer Datenverarbeitungsanlage durchgeführt werden, mit der die Vorrichtung betrieben werden kann. Die Bearbeitung der gesamten Fläche erfolgt, indem nacheinander die einzelnen Teilflächen bearbeitet werden. Hierzu wird jede Teilfläche spurweise mit dem Laserstrahl abgefahren. Die Pfeile 1, 2 ..., n zeigen die einzelnen Spuren 3 und deren Abtastrichtung für die Bearbeitung der ersten Teilfläche in der Figur. Diese spurweise Abtastung wird mit Hilfe der Scanneroptik durchgeführt, so daß die für das Laser-Schmelzen erforderliche hohe Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls innerhalb jeder Spur 3 eingehalten wird. Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl von Spur zu Spur versetzt wird, ist demgegenüber geringer. Diese Bewegung wird über die Plottermechanik erzeugt, an der die Scanneroptik befestigt ist. Der Plotter sorgt auch für die Bewegung des Laserstrahls von Teilfläche zu Teilfläche, d.h. in der Figur vom Ende der Spur n der ersten Teilfläche zum Anfang der Spur n+1 der nächsten Teilfläche. Der Abstand Δys der Spuren wird hierbei vorzugsweise so eingestellt, daß diese unter Berücksichtigung des Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene teilweise überlappen.In the upper part of the 1 A total area 1 of a component to be processed is shown, which is to be scanned with the laser beam. The surface 1 to be machined is divided into strip-shaped partial surfaces 2, as is shown in simplified form in the lower part of the figure with only two partial surfaces. A suitable division into partial areas can be carried out with the aid of a data processing system with which the device can be operated. The entire surface is processed by processing the individual partial surfaces one after the other. For this purpose, each partial surface is scanned with the laser beam. The arrows 1, 2 ..., n show the individual tracks 3 and their scanning direction for processing the first partial area in the figure. This lane-by-lane scanning is carried out with the aid of the scanner optics, so that the high movement speed of the laser beam required for the laser melting within each lane 3 is maintained. In contrast, the speed with which the laser beam is moved from track to track is lower ger. This movement is generated by the plotter mechanism to which the scanner optics are attached. The plotter also ensures the movement of the laser beam from partial area to partial area, ie in the figure from the end of track n of the first partial area to the beginning of track n + 1 of the next partial area. The distance Δys of the tracks is preferably set so that they partially overlap in the processing plane, taking into account the diameter of the laser beam.

Die Breite der einzelnen streifenförmigen Teilflächen wird so gewählt, daß während der Abtastung ein ausreichend kleiner Fokusdurchmesser des Laserstrahls über der gesamten Breite jeder Teilfläche aufrecht erhalten wird. Dies muß selbstverständlich unter Berücksichtigung der eingesetzten Fokussieroptik erfolgen.The width of the individual strip-shaped partial areas becomes chosen so that during the Scanning a sufficiently small focus diameter of the laser beam over the total width of each section is maintained. Of course this must be done under consideration the focusing optics used.

2 zeigt schematisch ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Aufsicht. Die Vorrichtung umfaßt zwei Linearachsen 4 (x-Achse) und 5 (y-Achse) einer Plottermechanik. Die Linearachse 5 ist hierbei in Pfeilrichtung (Pfeil 6) entlang der Linearachse 4 verschiebbar. Im Bereich des Kreuzungspunktes der beiden Achsen ist an der Linearachse 5 ein Umlenkspiegel 7 befestigt, der einen entlang der Linearachse 4 einfallenden Laserstrahl 8 auf ein auf der Linearachse 5 angeordnetes Trägerelement mit einem Scannersystem 9 lenkt. Das Trägerelement mit dem Scannersystem ist entlang der y-Achse 5 in Pfeilrichtung (Pfeil 10) verschiebbar. Das Scannersystem kann beispielsweise über einen Galvanometer-Antrieb verfügen. In der Figur ist ebenfalls die Bearbeitungsfläche 11 gezeigt, die in einzelne Teilflächen 12 aufgeteilt ist. Durch entsprechende Verschiebung der Linearachse 5 entlang der Linearachse 4 und des Trägerelementes entlang der Linearachse 5 kann mit dem Trägerelement jede Position der Bearbeitungsfläche erreicht werden. 2 schematically shows an example of the device according to the invention in supervision. The device comprises two linear axes 4 (x-axis) and 5 (y-axis) of a plotter mechanics. The linear axis 5 is in the direction of the arrow (arrow 6 ) along the linear axis 4 displaceable. In the area of the crossing point of the two axes is on the linear axis 5 a deflecting mirror 7 attached, one along the linear axis 4 incident laser beam 8th on one on the linear axis 5 arranged carrier element with a scanner system 9 directs. The carrier element with the scanner system is along the y-axis 5 slidable in the direction of the arrow (arrow 10). The scanner system can have a galvanometer drive, for example. In the figure, the processing surface 11 is also shown, which is divided into individual sub-areas 12. By shifting the linear axis accordingly 5 along the linear axis 4 and the carrier element along the linear axis 5 can be reached with the carrier element any position of the processing surface.

Eine Seitenansicht dieser beispielhaften Vorrichtung ist in 3 gezeigt. Hierbei wurden die gleichen Bezugszeichen für die gleichen Elemente wie in 2 gewählt. In der Figur ist ein drehbarer Umlenkspiegel 13 des Scannersystems zu erkennen, der den vom Umlenkspiegel 7 einfallenden Laserstrahl 8 auf die Bearbeitungsfläche 11 richtet. Der durch Drehung des Spiegels 13 erreichbare Winkelbereich der Ablenkung des Laserstrahls ist schematisch durch drei angedeutete Strahlverläufe dargestellt. In den meisten Anwendungsfällen liegt dieser Winkelbereich zwischen 1° und 15° für den gesamten Scanbereich. Durch diesen Winkelbereich wird eine Abtastbreite auf der Bearbeitungsfläche verwirklicht, die der Streifenbreite 14 der Teilflächen 12 entspricht.A side view of this exemplary device is shown in FIG 3 shown. Here, the same reference numerals for the same elements as in 2 selected. In the figure is a rotatable deflecting mirror 13 of the scanner system to recognize that of the deflecting mirror 7 incident laser beam 8th aimed at the processing surface 11. The one by turning the mirror 13 Achievable angular range of the deflection of the laser beam is shown schematically by three indicated beam profiles. In most applications, this angular range is between 1 ° and 15 ° for the entire scan area. This angular range results in a scanning width on the processing surface which corresponds to the strip width 14 of the partial surfaces 12.

Die Figur zeigt auch die Fokussierlinse 15 vor dem Scannersystem, mit der der Laserstrahl auf die Bearbeitungsfläche fokussiert wird. Selbstverständlich sind auch andere Fokussieroptiken sowohl vor wie auch nach dem Umlenkspiegel 13 möglich.The figure also shows the focusing lens 15 in front of the scanner system with which the laser beam is focused on the processing surface. Of course, other focusing optics are also available both before and after the deflecting mirror 13 possible.

3 zeigt weiterhin eine Schutzgasdüse 16, die am Trägerelement befestigt ist. Über diese Schutzgasdüse wird während der Bearbeitung Schutzgas 17 auf die Wechselwirkungszone geleitet. Im vorliegenden Beispiel ist die Schutzgasdüse so ausgestaltet, daß die Breite ihrer Austrittsöffnung der Breite 14 der Teilflächen 12 entspricht. Damit ist gewährleistet, daß in der Wechselwirkungszone des Laserstrahls ständig eine Schutzgasströmung vorhanden ist. 3 still shows an inert gas nozzle 16 , which is attached to the support element. This shielding gas nozzle provides shielding gas during processing 17 directed to the interaction zone. In the present example, the protective gas nozzle is designed such that the width of its outlet opening corresponds to the width 14 of the partial surfaces 12. This ensures that a protective gas flow is always present in the interaction zone of the laser beam.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform umfaßt die Scanneroptik neben dem Spiegel 13 noch einen zweiten Umlenkspiegel im Strahlengang des Lasers, der eine Abtastung senkrecht zu der mit dem Spiegel 13 erzeugten Abtastrichtung ermöglicht. Mit einer derartigen Ausführungsform können nach dem Abtasten der Teilflächen einer Bauteilschicht in einer ersten Abtastrichtung, die durch den Umlenkspiegel 13 vorgegeben ist, die nebeneinanderliegenden Bahnen der Teilflächen der nächsten Bauteilschicht durch den Einsatz des zweiten Spiegels senkrecht zu denen der gerade abgetasteten Bauteilschicht gewählt werden. Dies ist für die Festigkeit des Bauteils von Vorteil.In a further embodiment, not shown, the scanner optics include next to the mirror 13 a second deflecting mirror in the beam path of the laser, which is a scan perpendicular to that with the mirror 13 generated scanning direction allows. With such an embodiment, after the partial surfaces of a component layer have been scanned in a first scanning direction by the deflecting mirror 13 is predetermined, the adjacent paths of the partial surfaces of the next component layer are selected perpendicular to those of the component layer just scanned by using the second mirror. This is an advantage for the strength of the component.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise eine Bearbeitungsfläche von > 300 x 300 mm2 mit einem Durchmesser des fokussierten Laserstrahls von < 200 μm mit einer Geschwindigkeit von > 200 mm/s bearbeitet werden. Selbstverständlich kann auch mit geringeren Scangeschwindigkeiten von beispielsweise 50 mm/s gearbeitet werden.With the device according to the invention, a processing area of> 300 x 300 mm 2 with a diameter of the focused laser beam of <200 μm can advantageously be processed at a speed of> 200 mm / s. Of course, you can also work with lower scanning speeds of, for example, 50 mm / s.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit einer Anlage zum selektiven Laser-Schmelzen, wie sie in der DE 196 49 865 C1 beschrieben ist, eingesetzt werden.The device according to the invention can be particularly advantageous in connection with a system for selective laser melting, such as that in the DE 196 49 865 C1 is used.

Claims (12)

Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers mittels selektivem Laserschmelzen, wobei ein metallischer pulverförmiger Werkstoff als dünne Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht wird und selektiv entsprechend der Geometrie des Formkörpers mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird und der Formkörper auf diese Weise schichtweise hergestellt wird, mit – einer Plottermechanik mit zwei zur Bauplattform parallelen Linearachsen (4, 5) zur Positionierung und Bewegung eines Trägerelementes über der Objektfläche (11), – einer Fokussieroptik (15) zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Objektoberfläche (11), – einer optischen Einrichtung, die den Laserstrahl (8) zum Trägerelement führt oder am Trägerelement bereitstellt und – einer Abtasteinrichtung (9) am Trägerelement, die den Laserstrahl auf die Objektfläche lenkt und in einem vorgebbaren Winkelbereich hin und her bewegt.Device for producing a shaped body by means of selective laser melting, whereby a metallic powdery material is applied as a thin layer on a building platform and is selectively melted with a laser beam according to the geometry of the shaped body and the shaped body is produced in layers in this way, with - a plotter mechanism with two to the construction platform parallel linear axes ( 4 . 5 ) for positioning and moving a carrier element over the object surface (11), - a focusing lens ( 15 ) for focusing the laser beam on the object surface (11), - an optical device which blocks the laser beam ( 8th ) leads to the carrier element or provides it on the carrier element and - a scanning device ( 9 ) on the carrier element, which directs the laser beam onto the object surface and moves it back and forth in a predeterminable angular range. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fokussieroptik (15) am Trägerelement zum Fokussieren des Laserstrahls auf die Objektoberfläche (11) vorgesehen ist.Device according to claim 1, characterized ge indicates that focusing optics ( 15 ) is provided on the carrier element for focusing the laser beam on the object surface (11). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plottermechanik derart angeordnet ist, dass sie das Trägerelement in einem Abstand über der Objektfläche (11) positionieren und bewegen kann, der den Einsatz einer Fokussieroptik (15) kurzer Brennweite zur Fokussierung des Laserstrahls auf einen Durchmesser von < 200 μm in der Objektfläche (11) ermöglicht.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the plotter mechanism is arranged such that it can position and move the carrier element at a distance above the object surface (11), which the use of a focusing optics ( 15 ) short focal length for focusing the laser beam to a diameter of <200 μm in the object surface (11). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (9) ein um eine erste Achse drehbares Umlenkelement (13) im Strahlengang des Laserstrahls (8) umfaßt.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the scanning device ( 9 ) a deflection element rotatable about a first axis ( 13 ) in the beam path of the laser beam ( 8th ) includes. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung (9) ein weiteres um eine zweite Achse drehbares Umlenkelement im Strahlengang des Laserstrahls umfaßt, wobei die erste und die zweite Achse senkrecht aufeinander stehen.Apparatus according to claim 4, characterized in that the scanning device ( 9 ) comprises a further deflecting element rotatable about a second axis in the beam path of the laser beam, the first and second axes being perpendicular to one another. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgebbare Winkelbereich zwischen 1° und 15° liegt.Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the predefinable angular range is between 1 ° and 15 °. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine Lichtleitfaser, umfaßt, die mit einem Ende am Trägerelement fixiert ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the optical device comprises an optical fiber which with one end on the support element is fixed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung zumindest ein Umlenkelement (7) umfaßt, das auf einer der Linearachsen (4, 5) fixiert ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the optical device at least one deflection element ( 7 ), which on one of the linear axes ( 4 . 5 ) is fixed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung eine am Trägerelement fixierte Laserstrahlquelle aufweist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the optical device is a laser beam source fixed to the carrier element having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Trägerelement eine Gasdüse (16) mit einer Austrittsöffnung vorgesehen ist, über die Schutzgas auf den innerhalb des vorgebbaren Winkelbereichs des Laserstrahls liegenden Bereich der Objektfläche gerichtet werden kann.Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a gas nozzle ( 16 ) is provided with an outlet opening, via which protective gas can be directed onto the region of the object surface lying within the predeterminable angular range of the laser beam. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung breiter ist als der innerhalb des vorgebbaren Winkelbereichs des Laserstrahls liegende Bereich der Objektfläche.Apparatus according to claim 10, characterized in that the outlet opening is wider than that within the predeterminable angular range of the laser beam lying area of the object area. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Datenverarbeitungsanlage zur Steuerung der Vorrichtung aufweist, mit der die Objektfläche (1, 11) in einzelne Teilflächen (2, 12) unterteilt wird und die die Vorrichtung derart steuert, dass die einzelnen Teilflächen in nebeneinanderliegenden Bahnen (3) mit dem Laserstrahl abgetastet werden, wobei die Bewegung des Laserstrahls auf jeder der nebeneinanderliegenden Bahnen mit der Abtasteinrichtung (9) und die Bewegung des Laserstrahls von Bahn zu Bahn und von Teilfläche zu Teilfläche von der Plottermechanik ausgeführt werden, die die Abtasteinrichtung trägt.Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the device has a data processing system for controlling the device, with which the object area (1, 11) is divided into individual partial areas (2, 12) and which controls the device in such a way that the individual partial areas are scanned in adjacent tracks (3) with the laser beam, the movement of the laser beam on each of the adjacent tracks with the scanning device ( 9 ) and the movement of the laser beam from path to path and from part to part by the plotter mechanism carrying the scanning device.
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