借助多个在空间上分开的射束引导装置进行增材式构件制造的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于增材式构件制造、尤其用于选择性激光熔化或者激光烧结的设备，所述设备具有加工头，该加工头具有多个在空间上分开的射束引导装置，通过所述射束引导装置能够将一个或多个激光束在空间上分开的射束路径上对准加工平面。本发明还涉及一种用于增材式构件制造的方法，在该方法中能够使用所提出的设备。

背景技术：

在基于粉末床的射束熔化方法、例如选择性激光熔化(slm)中，直接从3d-cad模型增材式地制造三维构件。在重复的过程中，典型地小于100μm的薄粉末层借助滑块被施加在基底板上并且在下一个步骤中相应于来自3d-cad模型的几何形状信息借助一个或多个能量射束、尤其激光束被选择性地熔化。该循环过程允许以在结构复杂性方面限制少的方式制造三维构件。构件的压缩在slm时基于粉末和之前层的完全熔化。由此达到直至100％的构件压缩和能够与传统制造方法相比的机械性能。

在这种方法中在制造设备内关于结构平台有序地进行工艺链，如在图1中示意性地所示的那样。创造价值的照射过程(在该过程中，所述层的相应区域借助能量射束被选择性熔化)被不创造价值的过程，如层施加、过程准备和过程后处理中断。根据所使用的设备技术而定，例如在使用电流计扫描器用于射束转向时，在创造价值的照射过程中附加地发生由技术决定的照射停止时间，在该照射停止时间中，虽然进行用于射束转向所需的扫描镜运动，但不进行照射。这例如是连续待照射的扫描矢量在几何形状上彼此不直接衔接的情况。附加的非生产时间在扫描镜的加速和制动阶段中出现。因此，射束源不100％地被用于照射。

除到目前为止主要使用的基于电流计扫描器的、具有前置或后置聚焦光学器件的射束转向系统外，也已知替代的照射方案。在此多数地涉及较不复杂的光学系统，该光学系统借助运动装置在待照射的面上被引导。这提供可能地缩放结构空间尺寸和/或熔化功率的优点，而不必改变基本的设备结构。

因此，例如文献wo2015/003804a1示出一种设备，在该设备中借助轴系统，照射头或加工头在粉末床上方运动。加工头借助光学装置将多个单个的激光束以固定的布置作为激光光斑彼此并排地或者部分重叠地映射在加工平面上，例如以垂直于加工头的运动方向的线性布置。在此，激光束分别由一个单独的射束源产生、借助光导纤维被引导至加工头并且与加工头的运动同步地相应于待制造的构件几何形状被调制或者说被接通和关断。文献wo2014/199149a1示出一种类似的设备，在该设备中，各射束源将射束在无光导纤维的情况下直接对准加工平面。然而，所述设备对于在加工平面内的每个单个的激光光斑需要单独的射束源。以这种方式虽然可以通过增加射束源的数量而几乎任意地扩宽光斑布置。但这与成本的线性增加相结合。附加地，相应地增加必要的结构费事。

文献us2014/0198365a1说明了一种照射设备，在该照射设备中，单个射束源的射束通过一个或多个分束器被分成多个子射束。然后，这些子射束分别借助自身的转向单元彼此独立地对准加工平面。然而，在该组件中，由于激光功率被恒定地分配到各个子射束上而必须考虑到：由相应的射束转向装置待照射的面是相同的。

文献wo00/21735a1提出一种照射设备，在该照射设备中，光源的射束通过多个布置在固定阵列中的单个光导纤维对准加工平面。在每个纤维端部后面安装有光阀(lightvalve)，所述光阀能够根据控制信号或者透射或者吸收从纤维射出的射束。以这种方式能够通过光纤阵列的运动和光阀的取决于构件几何形状的控制选择性地照射在加工平面内属于构件的区域。在所述设备的运行中，一些被照射区域的、不需要用于构造构件的射束必须在所属的光阀中被吸收。然而，这在实际使用中导致投入的和实际利用的激光功率的比非常低。这种情况也适用于一些已经提及的设备。

已知设备的上面所说明的缺点使基于粉末床的射束熔化方法的经济应用变得困难，例如在金属构件的序列化生产中。

技术实现要素：

本发明的任务在于，给出一种通过以激光束逐层熔化粉末状材料进行增材式构件制造的设备以及方法，所述方法能够更好地利用投入的射束源，而在此不受限于一些待照射的面。

所述任务借助根据权利要求1和10所述的设备和方法来解决。所述设备和方法的有利构型是从属权利要求的内容或者能够从下面的说明以及实施例中得到。

所提出的设备具有加工头，该加工头具有多个在空间上分开的、具有相应的射束引导元件和/或射束转向元件的射束引导装置，通过所述射束引导装置能够将一个或多个激光束在空间上分开的射束路径上对准加工平面；所述设备具有激光束源组件，借助该激光束源组件能够产生一个或者多个激光束；并且所述设备具有用于在加工平面内提供材料的装置。此外，所述设备包括运动装置，借助该运动装置能够优选在彼此平行的平面内产生加工头和加工平面之间的相对运动；并且所述设备包括控制装置，借助该控制装置能够操控用于产生相对运动的运动装置。所述设备的特点主要在于，存在一个或多个光学切换装置，借助该光学切换装置能够在空间上分开的射束路径之间切换一个或多个激光束的射束路径。在此，所述光学切换装置优选构造为射束换向器。该射束换向器例如可以由光电元件或由一个或者多个可倾斜的镜元件构成。

通过所提出设备的该构型存在更好地利用为产生相应激光束而使用的激光束源的可能性。因此，当激光束在第一射束路径的目标位置上至少暂时不再被需要用于照射，而在第二射束路径的目标位置上还需要照射时，可以在基于粉末床的射束熔化方法中将该激光束从第一射束路径切换到第二射束路径中。在到目前为止对于这种状况需要两个激光束源，其中必须相应地暂时关断一个激光束源，而通过所提出的设备仅使用一个激光束源，该激光束源由于切换可能性而在时间上被更好地利用。每个激光束源的在空间上分开的射束路径数量当然不局限于两个。

激光束源的尽可能不中断地运行的另一可能性在于，脉冲式运行激光束源并且尽可能在脉冲停顿期间执行射束路径之间的切换过程。

通过合适地控制加工头和加工平面之间的相对速度可以在相应地线性形状地布置各个射束路径的目标位置时使激光线照射在加工平面上，其方式是：按照顺序在所有射束路径上切换脉冲式或者连续波式(cw:continuouswave)的激光束。

原则上也存在以下可能性：并非将一个激光束的全部功率切换到一个单个射束路径上，而是将该功率同时分配到多个射束路径上。可能的目标位置的总数量、即各个射束路径在加工平面内的终点位置，在所提出的设备中大于同时待照射位置的最大可能的数量，在下面也被称为加工位置。

在所提出的设备的一个优选的构型中，所述激光束源组件包括多个激光束源，所述激光束源产生多个分开的激光束。这些激光束的每一个配有自身的光学切换元件，该光学切换元件能够将激光束分别切换到多个在空间上分开的射束路径上。在此，存在以下可能性：这样地构型所述光学切换装置，使得每个激光束能够利用所有可用的射束引导装置或者射束路径。另一种可能性在于，每个激光束配有其它射束路径，通过所述其它射束路径能够将激光束对准加工平面。优选地，在该情况下不同的激光束的相邻射束路径具有共同的目标位置。也能够实现上面所说明的可能性组合。

之前所阐述的构型(在该构型中，多个激光束源与相应配属的光学切换元件一起被使用)能够通过各个射束路径之间的切换而更好地利用激光束源并且根据待照射的几何形状能够减少以加工头在加工平面上方移过的次数。这通过以下方式实现：在单次移过期间对于一些面不需要的射束可以通过光学切换元件对准否则仅能通过另一次移过到达的其它构件区域。

在所提出的方法中，通过以激光射束照射将用于构件的粉末状材料相应逐层地在加工平面内熔化。在此，用于照射材料的激光束被引导到加工平面上方并且在射束路径之间这样地切换，使得相应于所希望的构件几何形状而分别熔化一层所述材料并且通过所述切换最大程度地利用由所述激光束源产生的激光功率。

在此，以与在已经引用的公开文献wo2015/003804a1中所说明的相同的方式产生相对运动。

借助所提出的设备，一方面通过构造率和结构空间尺寸的简单的可缩放性借助使用更大数量的激光束源实现更高的生产力。另一方面，借助所提出的设备创造以下可能性：该优点以尽可能小数量的单个射束源获得。附加地，这些射束源在所提出的设备中几乎不中断地运行。因此，在所述设备运行时得到通过用于熔化的与总体设置的激光功率的比例限定的最大效率。所述设备和方法可以被用于任何基于粉末床的激光束熔化方法。首先，这种设备在工业制造环境中的使用具有大的潜力。所述设备能够以最大化地创造价值的方式实现构件的增材式制造。由此导致显著地提高相应制造设备的生产力并且因此也导致显著的经济优点，所述优点极大地有利于基于粉末床的激光束熔化方法在工业序列化制造范畴内的使用。

附图说明

下面根据实施例结合附图再次详细地阐述所提出的设备和所提出的方法。附图示出了：

图1在选择性激光熔化中的过程链的示意图；

图2在极其示意性的示图中示出根据现有技术的设备的照射单元和所提出设备的一个构型的照射单元的对比；

图3所提出的设备的一个构型的示意图；

图4在根据现有技术的设备中和在所提出设备的一个构型中的照射流程的比较；和

图5所提出的设备的另一构型的示意图。

具体实施方式

在基于粉末床的射束熔化方法如选择性激光熔化中，创造价值的照射过程被非创造价值的过程如施加层、过程准备和过程后处理中断。该工艺链在图1中示意性地示出，图1以固定的顺序示出过程准备12、施加层13、照射14以及过程后处理15的工艺。在此，施加层13以及照射14的过程逐层地重复，直至三维构件完成构造。在此，所提出的方法和对应的设备能够实现照射过程的优化。

借助所提出的设备可以与如在文献wo2015/003804a1中所说明的那样的根据现有技术的设备相比提高激光束源的利用率。在该现有技术的设备中使用多个激光束源1，所述激光束源通过光导纤维6与加工头连接。加工头对于每个激光束源1具有带有聚焦光学器件2的射束引导装置，通过该射束引导装置，各激光束在固定的射束路径上照射到在加工平面8内的目标位置。因此可以在加工平面8内产生一组激光光斑3，所述激光光斑的光斑数量相应于设置的激光束源的数量。这在图2的左侧部分中示意性地示出。

与此相比，图2的右侧部分在上部分区域中示出根据本发明的设备，在该设备中，在该示例中仅使用一个激光束源1，该激光束源通过光导纤维6或其它光导装置与光学切换元件4连接，通过该光学切换元件能够将激光束分别转向到多个射束路径之一上并且从而转向到在加工平面8内的多个目标位置5之一上。在这里也需要的分开的、具有聚焦光学器件的射束引导装置在图中未示出。在该图的下部分可看到该布置的俯视图。因此，对于示意性地示出的五个射束路径仅需要一个激光束源1，该激光束源的激光束能够通过光学切换元件4根据需要被切换到不同的射束路径上。

为了同时照射多个目标位置，在所提出的设备中使用多个激光束源1和多个光学切换元件4，如在图3中示例地示出那样。因此，每个激光束源1或者每个激光束配有所述光学切换元件4之一，该光学切换元件可以将激光束相应地切换到多个射束路径或者目标位置上。在此，光学切换元件4分别集成在加工头7中。激光束源1也可以集成到加工头7中或者也可以布置在加工头7外并且例如通过光导纤维与加工头7连接。

在图3的示例中，四个光学切换元件4位于加工头7内，所述四个光学切换元件分别与射束源1连接。加工头7固定在线性轴10上，该线性轴又安装在两个与其垂直的线性轴9上。当然也可以为此仅设置与一个附加的导向装置处于连接中的驱动轴。因此，加工头7可以在整个加工平面8上方运动。射束源1在该示例中布置在线性轴10上。所述射束源也可以布置在其它位置上。

光学元件4这样地布置，使得借助一个光学元件能够照射各相邻的光学元件4的至少一个、然而优选多个目标位置。所述目标位置在图3中作为在加工平面内的激光光斑3示出。在此，各目标位置优选排成一排，如在图中示意性地所示那样。因此例如可以在加工平面内实现激光线。为了构造构件，加工头7例如回曲形地在加工平面上方运动并且在此，这样地操控光学切换元件4，使得分别照射这样的目标位置，所述目标位置在加工头7的当前照射区内属于待制造的构件的几何形状。

与使用如由文献wo2015/003804a1公开的那样的现有技术的设备相比，根据图4示出另一示例性的实现方式。在此，在附图的上部分中直观说明借助现有技术的设备的照射过程，在下部分中直观说明借助所提出的设备的照射过程。在所述比较中假设，两个设备具有相同数量的激光束源1，然而其中，在所提出的设备中由于切换可能性而实现更大数量的彼此并排的目标位置或者激光光斑并且从而实现更大的照射宽度。从图4中可见，与借助现有技术的设备相比，借助所提出的设备能够通过更少的加工头移过来照射一层所描绘的构件几何形状11。这在当前示例中通过以下方式实现：在单次移过期间不需要的射束能够通过光学切换元件对准其它构件区域中，该构件区域在现有技术的设备中仅能够通过第二次移过达到。在此，实线的箭头表示具有照射的路程，虚线的箭头表示没有照射的路程。从图4的比较中也可看到，在所提出的设备中，所使用的激光束源被更好地利用，因为所述激光束源在该示例中几乎不中断地运行，用于熔化构件层。当然，所提出的设备相对于现有技术的设备的效率益处分别与待制造的构件几何形状相关。

所提出的设备也可以这样地构造，使得目标位置不在一排而是在连续的多排中。目标位置区也在第二维度上的扩宽在图5的示意图中示例性地可看到。在这里，通过另外的光学切换元件4和所属的激光束源1产生第二排目标位置。射束源1在本例中也布置在线性轴10上。所述射束源也可以布置在其它位置上。当然，所提出的设备在此也不限于所示的目标位置布置。而是这些目标位置也可以以其它方式分布地布置。

在此，每个光学切换元件的目标位置数量和每个加工头的光学切换元件的数量除技术极限、尤其在光学切换元件的部件尺寸和可负载性方面外还特别与光斑大小、结构空间尺寸和所希望的设备生产力相关。在此，重要的设计标准是，所使用的射束源能够在平均的应用情况中几乎不中断地运行，使得设置的激光功率的尽可能大的部分可以在照射过程中被转化为再熔化的构件体积。

如果代替连续波式(cw)运行而使用脉冲式或者调制的过程控制，则可以特别有利地使用所述设备。光学切换元件需要一定的切换时间，以便将激光束切换到另一射束路径上并且从而从一个目标位置偏转到下一个目标位置。如果该切换时间与所使用的占空比(duty-cylce)、即脉冲持续时间和脉冲暂停处于有利的比例中，则在加工头和加工平面之间的相对速度匹配构件几何平面的情况下，能够以比存在的光斑或者目标位置明显更少的射束源照射整个光斑线。

所述目标位置也可以这样地布置，使得激光光斑在加工平面内重叠。优选地，这样地构造具有光学切换元件的加工头，使得每个目标位置能够被多个激光束源照射。在此，这样地进行构件层的照射，使得在加工头移过时这样地控制单个光学切换元件，使得所有位于可用的目标位置区内的构件区域被照射，而所属的射束源尽可能不中断地发出辐射，用于熔化构件层。发射的功率可以在所提出的设备中优选通过控制装置根据构件几何形状和所属光学切换元件的切换位置而在其数值上变化。

附图标记列表

1激光束源

2聚焦光学器件

3激光光斑

4光学切换元件

5目标位置

6光导纤维

7加工头

8加工平面

9线性轴

10线性轴

11构件几何形状

12过程准备

13施加层

14照射

15过程后处理