WO2009080016A2 - Verfahren zur änderung des strahldurchmessers eines laserstrahls in einer bearbeitungsebene sowie dafür ausgebildete anordnung - Google Patents

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    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources

Definitions

  • the present invention relates to a method for changing a beam diameter of a laser beam in a working plane, in particular in the generative production of components, in which the laser beam is guided via an optical fiber to an optical system with which the laser beam used for processing on a focusing optics on the Processing level is addressed.
  • the invention also relates to an arrangement for machining a component or material with a laser beam, which enables such a method.
  • a main field of application of the invention is the additive production of components, also known under the terms rapid manufacturing or rapid prototyping.
  • components are built up layer by layer by adding material.
  • SLS Selective Laser Sintering
  • SLM Selective Laser Melting
  • Laser Cusing processes the material to be added in powder form.
  • the powder material is applied to a lowerable building platform in a thin layer of approx. 100 ⁇ m.
  • the powder layer is then selectively solidified by scanning with a laser beam according to the geometric data of the component to be produced, the area of the powder layer belonging to the corresponding component layer.
  • the action of the laser radiation melts or sinters the powder material in this area.
  • the construction platform is lowered by one layer thickness.
  • a new layer of powder is applied over it and again solidified.
  • a component is built up from the powder layer by layer.
  • Such generative manufacturing methods are used, for example, for the rapid production of prototypes, individual parts or small batches.
  • the generative process produces components which, due to their complex internal geometry, can not be produced by other processes, for example by machining or casting processes.
  • An example of this is the production of inserts for injection molds with internal contiguous cooling channels.
  • powder materials for example, metals, ceramics and plastics are used.
  • a focused laser beam is guided line by line according to the geometry of the layer to be built with a scanner over the powder layer.
  • the process parameters in particular layer thickness, laser power, beam diameter and scan speed, are chosen so that the best possible component quality with respect to the surface quality, the detail resolution and the density is achieved. These parameters generally result in a relatively low build-up rate. As a result, the manufacturing process is uneconomical for many applications.
  • the component is virtually divided into an envelope region and a core region.
  • the envelope region comprises the component volume, which extends up to a certain distance from the surface of the component.
  • the core area comprises the remaining component volume, which is located further inside the component.
  • the cladding area is first constructed with the process parameters for each layer, which results in a good component quality with regard to surface quality, detail resolution and density, but has a low build-up rate. This is achieved mainly by setting a relatively small diameter of the laser beam in the working plane (eg 100 .mu.m) in combination with a low laser power (eg 100 W).
  • the core region of the layer is constructed with process parameters which result in a lower component quality, but have a high build-up rate.
  • This is achieved mainly by setting a relatively large diameter of the laser beam in the working plane (eg 0.3 mm) in combination with higher laser power (eg 200 W). Setting a larger laser beam diameter reduces the number of individual paths that must be traveled with the laser beam to fill the core area. Thus, the construction process can be accelerated overall.
  • the setting of the beam diameter in the working plane has hitherto usually been done with a so-called zoom lens. With this lens, the diameter of the laser beam in front of the focusing lens, hereinafter referred to as the raw beam, be reduced, resulting in an increase in the beam diameter in focus.
  • the divergence of the laser beam can be changed with a suitable objective, as a result of which the focus position shifts out of the processing plane. This also achieves a larger beam diameter in the working plane.
  • the build-up rate increases and, on the other hand, a higher laser power is required to completely melt the powder.
  • a disadvantage of this known method for changing the beam diameter is that when reducing the diameter of the raw beam to increase the focus diameter, the maximum allowable intensity of the optical components, such as the scanner mirror, even at lower laser power is achieved than would be the case with unchanged raw beam diameter , Exceeding the maximum permissible intensity leads to the destruction of the optical components. Therefore, either the minimum adjustable beam diameter - and thus the maximum adjustable focus diameter - or the maximum usable laser power is limited.
  • An increase in the beam diameter by shifting the focal position has the disadvantage that when using an optical fiber for transport the laser radiation from the beam source to the optical system, the intensity distribution of the laser radiation outside the focus position deviates greatly from an ideal intensity distribution in the focus, which has a so-called top hat profile.
  • DE 199 53 000 A1 shows a method and a device for the additive production of bodies by the sheath-core method.
  • the contour of the body will have a first, a small focus,
  • Radiation source welded or sintered.
  • the core is welded or sintered with a second, larger focus, radiation source.
  • JP 2003-211 279 A discloses a laser system with which the ITO film of different substrates, an ITO-coated glass or an ITO-coated film, is removed.
  • ITO indium-tin-oxide
  • JP 2003-211 279 A discloses a laser system with which the ITO film of different substrates, an ITO-coated glass or an ITO-coated film, is removed.
  • different energy densities are required for this purpose in the working plane. These are generated by selectively injecting the laser beam into one of two optical fibers having a different fiber core diameter.
  • Achieving an optimal welding result is collimated to different beam diameters.
  • the collimated laser beams are superimposed and then focused on a processing point.
  • the object of the present invention is to provide a method and an arrangement with which the beam diameter can be changed in the working plane without the above disadvantages.
  • the laser beam used for processing is guided via an optical fiber to an optical system with which the laser beam is directed via a focusing optics on the working plane.
  • the optical system can in this case be accommodated, for example, in a processing head.
  • This optical system is preferably a scanner system with a suitable focusing optics.
  • Such scanner systems consist of one or more tiltable or rotatable reflectors, such as scanner mirrors, which with their movement a one- or two-dimensional scanning of the Laser beam can produce in the working plane.
  • the proposed method is characterized in that at least two optical fibers with different fiber core diameter between one or more laser sources and the optical system are used.
  • the laser beam used for processing is guided to generate a first beam diameter in the processing plane via one of the two optical fibers and collimated at exit from this optical fiber with a collimating optics associated with this fiber to a Rohstrahl bemesser, to then be addressed with the optical system to the working plane.
  • the laser beam used for processing is guided over the other optical fiber and collimated on exit from this optical fiber with a collimation optics associated with this fiber to the same beam diameter, then also with the optical System to be directed to the processing level.
  • the change in the beam diameter from a first to a second beam diameter is thus achieved in the present method in that the laser beam is guided to generate different beam diameters in optical fibers with different fiber core diameter to the optical system.
  • an input-side switching device between the laser and the optical fibers is preferably used, via which the laser beam between a coupling in the one optical fiber and a coupling can be deflected or switched into the other optical fiber.
  • a switching device may, for example, be a foldable or displaceable mirror element.
  • a corresponding element is likewise provided, via which the laser beam emerging from the respective optical fiber is coupled into the optical system after collimation, so that the laser beam is always independent of the optical fiber on which it would be guided to the optical system is guided through the optical system on the same path.
  • an output-side switching device on the optical system is required with which either the one or the other optical fiber exiting from the other optical fiber laser beam can be guided via the optical system in the processing plane.
  • the collimated laser beam will be brought to the same beam diameter for all optical fibers used. Due to the different fiber core diameter, different focal diameters nevertheless result in the working plane for the different optical fibers, since the combination of collimation optics and focusing lens the exit surface of the respective optical fiber in the focal plane and thus in the processing plane images.
  • the diameter of the raw beam can be chosen so large over the focal length of the collimating optics, for example, a collimating lens, that even at high laser power of, for example, 1 kW, the intensity remains on the optical components of the optical system below the damage threshold.
  • Beam diameters no focus shift, so that with appropriate adjustment of the focusing lens or the distance to the working plane, the machining can always be done in focus, i. with an advantageous top hat intensity distribution.
  • the beam diameters can also be changed simply by switching the laser radiation between the optical fibers with different fiber core diameter.
  • the proposed arrangement for processing a component or material with a laser beam has an optical system with at least one scanner unit and a focusing optics with which the laser beam used for processing can be focused into a processing plane. Between one or more laser sources and the optical system at least two optical fibers are arranged, via which the laser beam used for processing for optical system can be performed. At the fiber output of the optical fibers in each case a collimating optics for collimating the emerging from the respective optical fiber laser beam is arranged, wherein the collimating optics are each formed so that the laser beam is set for both optical fibers to the same diameter in front of the focusing optics.
  • the arrangement further comprises a switching device, via which between a guide of the laser beam used for processing via a first of the two optical fibers and the optical system in the working plane and a guide of the laser beam used for processing via a second of the two optical fibers and the optical system in the processing level can be switched.
  • the at least two optical fibers have a different fiber core diameter in the proposed arrangement.
  • the switching device may comprise an input-side switching unit at a fiber input of the two optical fibers, via which the laser beam emitted by a laser beam can be switched between a coupling into the first optical fiber and a coupling into the second optical fiber.
  • the switching device can also comprise an output-side switching unit on the optical system, with which between a guide of the laser beam emerging from the first optical fiber via the optical system in the processing plane and a guide of the emerging from the second optical fiber laser beam through the optical system in the Machining level is switchable.
  • the collimating optics are each designed such that the laser beam passes through the focusing optics for both optical fibers with the same beam diameter.
  • the arrangement thus employs a fiber-coupled laser system having at least two fiber outputs and at least two optical fibers having different fiber core diameters.
  • the laser radiation is coupled into a selected fiber on the laser side.
  • the laser radiation is collimated.
  • the collimated beam of the selected fiber is introduced into the
  • the collimated beam is focused with a focusing optics, for example a lens.
  • This focusing optics could also be located in front of the scanner system or integrated into the scanner system.
  • different laser beam diameters for the cladding region and the core region can be set during laser-based additive manufacturing processes during the build-up process.
  • the processing for the different Beam diameter in focus so that a machining with the desired Top Hat intensity distribution is achieved.
  • a beam diameter of approximately 200 ⁇ m can be set for the cladding region, while for the core region the beam diameter can be increased to approximately 1.2 mm, for example, and at the same time a laser beam output in the kilowatt range can be used.
  • the generative production of components can be significantly accelerated, for example
  • Solid geometry components e.g. Mold inserts for injection molds.
  • the fiber core diameter of the two optical fibers used preferably differ by at least a factor of 4.
  • larger or smaller gradations in the fiber core diameter between the optical fibers used can also be used.
  • the use of more than two optical fibers, each differing in the fiber core diameter is of course possible in the proposed method and the associated arrangement.
  • the application of the method and the arrangement is not limited to the preferred field of application of the additive manufacturing methods. Rather, this technique can be used in all laser-based methods in which it is necessary to switch between different beam diameters in a processing or measuring plane.
  • Fig. 2 shows an example of a part of the optical structure in the proposed method and the associated arrangement.
  • FIG. 1 the principle of the optical path of the proposed method and the proposed arrangement for the case of two optical fibers with different fiber core diameter is shown schematically.
  • the first fiber 1 in this case has the fiber core diameter D1, which is smaller than the fiber core diameter D2 of the second fiber 2.
  • the two fibers come from the laser used, the emitted laser beam depending on the intended beam diameter either in the first fiber 1 or in the second fiber 2 is coupled.
  • the switching device required for switching the coupling between the first fiber 1 and the second fiber 2 is not shown in the figure. This may be, for example, a system with a movable deflection mirror 3, as will be described below for the coupling of the laser radiation into the scanner system of the optical system.
  • the laser radiation is coupled into the first fiber 1 on the laser.
  • the emerging laser radiation in the collimating optics 5 is collimated with the focal length f ⁇ l.
  • a movable deflection mirror 3 is positioned so that the collimated laser radiation of the fiber 1 is guided into the scanner 4.
  • the radiation is focused onto the working plane 8 with a focusing lens 7 of the focal length f.
  • the laser radiation is coupled into the second fiber 2 with the larger fiber core diameter D2 at the laser.
  • the movable deflecting mirror 3 is removed from the beam path.
  • the second fiber 2 is arranged such that the laser radiation collimated by means of the collimation lens 6 with the focal length f K 2 is guided into the scanner 4.
  • D2 can be set by simply switching between the two fibers different beam diameter in the working plane. Since the same beam path in the scanner 4 and by the focusing sierlinse 7 is used for both optical fibers, the focal position in the working plane is the same, so that in each case a Top Hat intensity distribution can be achieved for the different beam diameters. By setting approximately the same diameter of the collimated laser beams after the exit from the fibers can significantly higher laser powers for the generation of the larger beam diameter in the
  • FIG. 2 shows an example of a structure for coupling the laser radiation arriving via the optical fibers into a machining head 11 in which the scanner and the focusing lens are located.
  • the two optical fibers 1, 2 are in this case fixed to the machining head 11.
  • FIG. 2 a shows a state in which the laser radiation is guided via the upper optical fiber 1. Via corresponding deflecting mirrors 10, this laser Radiation coupled through the scanner inlet opening 9 in the processing head.
  • the movable deflection mirror 3 is in this case removed from the beam path.
  • Fig. 2b shows a state in which the lower optical fiber 2 has been switched.
  • the deflection mirror 3 is introduced into the beam path in order to couple the laser radiation emerging from this fiber 2 into the scanner entry opening 9 of the machining head.
  • the collimating optics are in each case arranged at the outlet of the two optical fibers and can be seen only hinted at in the figures.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene (8) bei der generativen Fertigung von Bauteilen sowie eine für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl. Bei dem Verfahren wird der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser (1, 2) zu einem optischen System (4, 7) geführt, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik (7) auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2) mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser eingesetzt werden, wobei der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Änderung des Strahldurchmessers zwischen einer Führung über die erste der beiden Lichtleitfasern (1) und das optische System (4, 7) zur Bearbeitungsebene (8) und einer Führung über die zweite der beiden Lichtleitfasern (2) und das optische System (4, 7) zur Bearbeitungsebene (8) umgeschaltet wird. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Anordnung lassen sich bei Vergrößerung des Strahldurchmessers höhere Laserleistungen nutzen als bei Verwendung von Zoom-Objektiven für die Änderung des Strahldurchmessers. Das Verfahren und die Anordnung eignen sich vor allem für die Anwendung bei laserbasierten generativen Fertigungsverfahren.

Description

Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene sowie dafür ausgebildete Anordnung
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene, insbesondere bei der generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem der Laserstrahl über eine Lichtleitfaser zu einem optischen System geführt wird, mit dem der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl, die ein derartiges Verfahren ermöglicht.
Ein Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die generative Fertigung von Bauteilen, auch unter den > Begriffen Rapid Manufacturing oder Rapid Prototyping bekannt. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Hinzufügen von Material aufgebaut. So wird beispielsweise bei den Verfahren des Selective Laser Sintering (SLS) , des Selective Laser Melting (SLM) oder des Laser Cusing der hinzuzufügende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird in einer dünnen Schicht von ca. 100 μm auf eine absenkbare Bauplattform aufgetragen. Die Pulverschicht wird anschließend selektiv verfestigt, indem mit einem Laserstrahl gemäß der Geometriedaten des herzustellenden Bauteils der Bereich der Pulverschicht abgescannt wird, der zu der entsprechenden Bauteilschicht gehört. Durch die Einwirkung der Laserstrahlung schmilzt oder versintert der Pulverwerkstoff in diesem Bereich. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. So wird Schicht für Schicht ein Bauteil aus dem Pulver aufgebaut .
Derartige generative Fertigungsverfahren werden beispielsweise zur schnellen Herstellung von Prototypen, Einzelteilen oder Kleinserien angewendet. Außerdem werden mit den generativen Verfahren Bauteile gefertigt, die aufgrund ihrer komplexen internen Geometrie nicht mit anderen Verfahren, beispielsweise spanenden oder gießtechnischen Verfahren, herstellbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die Fertigung von Einsätzen für Spritzgießwerkzeuge mit internen konturnahen Kühlkanälen. Als Pulverwerkstoffe werden beispielsweise Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet.
Stand der Technik
Bei dem Aufbau eines Bauteils mit einem generativen Fertigungsverfahren wird ein fokussierter Laserstrahl zeilenweise gemäß der Geometrie der aufzubauenden Schicht mit einem Scanner über die Pulverschicht geführt. Die Verfahrensparameter, insbesondere Schichtdicke, Laserleistung, Strahldurchmesser und Scan-Geschwindigkeit, werden dabei so gewählt, dass eine möglichst gute Bauteilqualität bezüglich der Oberflächenqualität, der Detailauflösung und der Dichte erreicht wird. Diese Parameter führen im Allgemeinen zu einer relativ geringen Aufbaurate. Dadurch ist der Fertigungsprozess für viele Anwendungen unwirtschaftlich .
Zur Beschleunigung des Aufbauprozesses ist es bekannt, die so genannte Hülle-Kern-Strategie einzusetzen. Dabei wird das Bauteil virtuell in einen Hüllbereich und einen Kernbereich aufgeteilt. Der Hüllbereich umfasst das Bauteilvolumen, das sich bis zu einem bestimmten Abstand von der Oberfläche des Bau- teils erstreckt. Der Kernbereich umfasst das restliche Bauteilvolumen, das sich weiter im Innern des Bauteils befindet. Beim Bauprozess wird bei jeder Schicht zunächst der Hüllbereich mit den Verfahrensparametern aufgebaut, die eine gute Bauteilqualität bezüglich der Oberflächenqualität, der Detailauflösung und der Dichte ergeben, jedoch eine geringe Aufbaurate aufweisen. Dies wird hauptsächlich durch Einstellung eines relativ kleinen Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (z.B. 100 μm) in Kombination mit einer geringen Laserleistung (z.B- 100 W) erreicht. Anschließend wird der Kernbereich der Schicht mit Verfahrensparametern aufgebaut, die eine geringere Bauteilqualität ergeben, jedoch eine hohe Aufbaurate aufweisen. Dies wird hauptsächlich durch die Einstel- lung eines relativ großen Durchmessers des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene (z.B. 0,3 mm) in Kombination mit höherer Laserleistung (z.B. 200 W) erreicht. Durch Einstellung eines größeren Laserstrahldurchmessers verringert sich die Anzahl der einzelnen Bahnen, die mit dem Laserstrahl abgefahren werden müssen, um die Kernfläche zu füllen. Damit kann der Bauprozess insgesamt beschleunigt werden. Die Einstellung des Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene erfolgt bisher üblicherweise mit einem so genannten Zoom-Objektiv. Mit diesem Objektiv kann der Durchmesser des Laserstrahls vor der Fokussierlinse, im Folgenden als Rohstrahl bezeichnet, verkleinert werden, wodurch sich eine Vergrößerung des Strahldurchmessers im Fokus ergibt. Alternativ kann mit einem geeigneten Objektiv die Divergenz des Laserstrahls verändert werden, wodurch sich die Fokuslage aus der Bearbeitungsebene heraus verschiebt. Dadurch wird ebenfalls ein größerer Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene erreicht. Für den Aufbauprozess gilt im Allgemeinen, dass mit größerem Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene zum einen die Aufbaurate zunimmt und zum anderen eine höhere Laserleistung erforderlich ist, um das Pulver vollständig zu schmelzen.
Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers liegt darin, dass bei Verkleinerung des Durchmessers des Rohstrahls zur Vergrößerung des Fokusdurchmessers die maximal zulässige Intensität der optischen Komponenten, beispielsweise der Scannerspiegel, bereits bei geringerer Laserleistung erreicht wird, als dies bei unverändertem Rohstrahldurchmesser der Fall wäre. Eine Überschreitung der maximal zulässigen Intensität führt zur Zerstörung der optischen Komponenten. Daher ist entweder der minimal einstellbare Rohstrahldurchmesser - und damit der maximal einstellbare Fokusdurchmesser - oder die maximal verwendbare Laserleistung begrenzt. Eine Vergrößerung des Strahldurchmessers durch Verschiebung der Fokuslage weist den Nachteil auf, dass bei Verwendung einer Lichtleitfaser für den Transport der Laserstrahlung von der Strahlquelle zum optischen System die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung außerhalb der Fokuslage stark von einer idealen Intensitätsverteilung im Fokus abweicht, die ein so genanntes Top Hat Profil aufweist.
Die DE 199 53 000 Al zeigt ein Verfahren und eine Einrichtung zur generativen Fertigung von Körpern nach dem Hülle-Kern-Verfahren. Die Kontur des Körpers wird mit einer ersten, einen kleinen Fokus aufweisenden,
Strahlungsquelle verschweißt oder versintert. Der Kern wird mit einer zweiten, einen größeren Fokus aufweisenden, Strahlungsquelle verschweißt bzw. versintert wird.
Aus dem technischen Gebiet der Abtragung von elektrisch leitenden Indium-Zinn-Oxid- (ITO) -Film von Substraten ist durch die JP 2003-211 279 A ein Lasersystem bekannt, mit dem der ITO-FiIm von unterschiedlichen Substraten, einem ITO-beschichteten Glas bzw. einem ITO-beschichteten Film, abgetragen wird. Für die unterschiedlichen Substrate sind hierzu in der Bearbeitungsebene unterschiedliche Energiedichten erforderlich. Diese werden erzeugt, in dem der Laserstrahl wahlweise in eine von zwei Lichtleitfasern eingekoppelt wird, die einen unterschiedlichen Faserkerndurchmesser aufweisen.
Aus dem technischen Gebiet des Laserschweißens ist durch die EP 1 714 729 A2 eine Anordnung und ein
Verfahren bekannt, bei denen gepulstes Laserlicht aus zwei Laserquellen jeweils in eine Lichtleitfaser eingespeist und mit jeweils einer Kollimationsoptik zur Ό
Erzielung eines optimalen Schweißergebnisses auf unterschiedliche Strahldurchmesser kollimiert wird. Die kollimierten Laserstrahlen werden überlagert und anschließend auf einen Bearbeitungspunkt fokussiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, mit denen der Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene ohne die obigen Nachteile verändert werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer
Bearbeitungsebene bei der generativen Fertigung von Bauteilen wird der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser zu einem optischen System geführt, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Das optische System kann hierbei beispielsweise in einem Bearbeitungskopf untergebracht sein. Bei diesem optischen System handelt es sich vorzugsweise um ein Scannersystem mit einer geeigneten Fokussieroptik. Derartige Scannersysteme bestehen aus einem oder mehreren kipp- oder drehbaren Reflektoren, beispielsweise Scanner-Spiegeln, die mit ihrer Bewegung eine ein- oder zweidimensionale Abtastbewegung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene erzeugen können. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser zwischen ein oder mehreren Laserquellen und dem optischen System eingesetzt werden. Der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl wird zur Erzeugung eines ersten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene über eine der beiden Lichtleitfasern geführt und bei Austritt aus dieser Lichtleitfaser mit einer dieser Faser zugeordneten Kollimationsoptik auf einen Rohstrahldurchmesser kollimiert, um dann mit dem optischen System auf die Bearbeitungsebene gerichtet zu werden. Zur Änderung des Strahldurchmessers, d.h. zur Erzeugung eines zweiten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene, wird der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über die andere Lichtleitfaser geführt und bei Austritt aus dieser Lichtleitfaser mit einer dieser Faser zugeordneten Kollimationsoptik auf den gleichen Rohstrahldurchmesser kollimiert, um dann ebenfalls mit dem optischen System auf die Bearbeitungsebene gerichtet zu werden.
Die Änderung des Strahldurchmessers von einem ersten in einen zweiten Strahldurchmesser wird beim vorliegenden Verfahren damit dadurch gelöst, dass der Laserstrahl zur Erzeugung unterschiedlicher Strahldurchmesser in Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser zum optischen System geführt wird. Zur Umschaltung zwischen den zumindest zwei Strahl- durchmessern wird vorzugsweise eine eingangsseitige Umschalteinrichtung zwischen dem Laser und den Lichtleitfasern eingesetzt, über die der Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die eine Lichtleitfaser und einer Einkopplung in die andere Lichtleitfaser umgelenkt bzw. umgeschaltet werden kann. Bei einer derartigen Umschalteinrichtung kann es sich beispielsweise um ein klappbares oder verschiebbares Spiegelelement handeln. Auf Seite des optischen Systems ist ebenfalls ein entsprechendes Element vorgesehen, über das der aus der jeweiligen Lichtleitfaser austretende Laserstrahl nach der Kollimierung in das optische System eingekoppelt wird, so dass der Laserstrahl unabhängig von der Lichtleitfaser, auf der er zum optischen System geführt würde, stets auf dem gleichen Pfad durch das optische System geführt wird. In einer alternativen Ausgestaltung kann auch auf die eingangsseitige Umschalteinrichtung verzichtet werden, indem Laserstrahlung gleichzeitig in beide Lichtleitfasern eingekoppelt wird. Dies kann bspw. über zwei getrennte Laser oder eine Aufspaltung des Laserstrahls eines Lasers erfolgen. In dieser alternativen Ausgestaltung ist eine ausgangsseitige Umschalteinrichtung am optischen System erforderlich, mit der wahlweise der aus der einen oder der aus der anderen Lichtleitfaser austretende Laserstrahl über das optische System in die Bearbeitungsebene geführt werden kann.
Durch geeignete Ausbildung der Kollimationsoptiken für die unterschiedlichen Lichtleitfasern wird der kollimierte Laserstrahl für alle eingesetzten Lichtleitfasern jeweils auf den gleichen Rohstrahldurchmesser gebracht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Faserkerndurchmesser ergeben sich dabei für die unterschiedlichen Lichtleitfasern dennoch unterschiedliche Fokusdurchmesser in der Bearbeitungsebene, da die Kombination aus Kollimationsoptik und Fokussierlinse die Austrittsfläche der jeweiligen Lichtleitfaser in die Fokusebene und somit in die Bearbeitungsebene abbildet. Der Durchmesser des Rohstrahls kann über die Brennweite der Kollimationsoptik, bspw. eine Kollimationslinse, so groß gewählt werden, dass auch bei hoher Laserleistung von beispielsweise 1 kW die Intensität auf den optischen Komponenten des optischen Systems unterhalb der Zerstörschwelle bleibt. Dadurch können bei Einstellung eines großen Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene höhere Laserleistungen für die Bearbeitung verwendet werden, als dies bei Vergrößerung des Strahldurchmessers mittels Zoom-Objektiv durch Verkleinerung des Rohstrahldurchmessers möglich ist. Außerdem ergibt sich beim vorgeschlagenen Verfahren bei der Umschaltung zwischen den unterschiedlichen
Strahldurchmessern keine Fokusverschiebung, so dass bei entsprechender Einstellung der Fokussierlinse oder des Abstands zur Bearbeitungsebene die Bearbeitung immer im Fokus erfolgen kann, d.h. mit einer vorteilhaften Top Hat Intensitätsverteilung. Die Strahldurchmesser lassen sich auch hierbei einfach durch Umschaltung der Laserstrahlung zwischen den Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser ändern.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl weist ein optisches System mit zumindest einer Scannereinheit und einer Fokussieroptik auf, mit denen der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl in eine Bearbei- tungsebene fokussierbar ist. Zwischen einer oder mehreren Laserquellen und dem optischen System sind mindestens zwei Lichtleitfasern angeordnet, über die der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zum optischen System geführt werden kann. Am Faserausgang der Lichtleitfasern ist jeweils eine Kollimationsoptik zur Kollimierung des aus der jeweiligen Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls angeordnet, wobei die Kollimationsoptiken jeweils so ausgebildet sind, dass der Laserstrahl für beide Lichtleitfasern auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik eingestellt wird. Die Anordnung weist weiterhin eine Umschalteinrichtung auf, über die zwischen einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine erste der beiden Lichtleitfasern und das optische System in die Bearbeitungsebene und einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine zweite der beiden Lichtleitfasern und das optische System in die Bearbeitungsebene umgeschaltet werden kann. Die mindestens zwei Lichtleitfasern haben bei der vorgeschlagenen Anordnung einen unterschiedlichen Faserkerndurchmesser .
Die Umschalteinrichtung kann eine eingangsseitige Umschalteinheit an einem Fasereingang der beiden Lichtleitfasern umfassen, über die der von einem Laser emittierte Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser umgeschaltet werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Umschalteinrichtung auch eine ausgangsseitige Umschalteinheit am optischen System umfassen, mit der zwischen einer Führung des aus der ersten Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls über das optische System in die Bearbeitungsebene und einer Führung des aus der zweiten Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls über das optische System in die Bearbeitungsebene umschaltbar ist. Die Kollimationsoptiken sind jeweils so ausgebildet, dass der Laserstrahl die Fokussieroptik für beide Lichtleitfasern mit dem gleichen Rohstrahl- durchmesser durchläuft.
Die Anordnung setzt somit ein fasergekoppeltes Lasersystem mit mindestens zwei Faserausgängen und mindestens zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichen Faserkerndurchmessern ein. Die Laserstrahlung wird laserseitig in eine ausgewählte Faser eingekoppelt. Am Austrittsende der Faser wird die Laserstrahlung kollimiert. Über einen beweglichen Spiegel oder ein anderes geeignetes optisches Element wird der kollimierte Strahl der ausgewählten Faser in das
Scannersystem eingekoppelt. Nach dem Scannersystem wird der kollimierte Strahl mit einer Fokussieroptik, bspw. einer Linse, fokussiert. Diese Fokussieroptik könnte sich auch vor dem Scannersystem befinden oder in das Scannersystem integriert sein. Durch die Verwendung der unterschiedlichen Faserkerndurchmesser und sonst gleichen optischen Komponenten des optischen Systems ist die Fokuslage der Strahlengänge aller Fasern gleich, es ergeben sich jedoch unterschiedliche Fokusdurchmesser in der Bearbeitungsebene oder deren Umgebung.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung können bei laserbasierten generativen Fertigungsverfahren während des Aufbauprozesses unterschiedliche Laserstrahldurchmesser für den Hüllbereich und den Kernbereich eingestellt werden. Hierbei kann die Bearbeitung für die unterschiedlichen Strahldurchmesser im Fokus erfolgen, so dass eine Bearbeitung mit der gewünschten Top Hat Intensitätsverteilung erreicht wird. So kann beispielsweise für den Hüllbereich ein Strahldurchmesser von ca. 200 μm eingestellt werden, während für den Kernbereich der Strahldurchmesser beispielsweise auf ca. 1,2 mm vergrößert werden und gleichzeitig eine Laserstrahlleistung im Kilowattbereich verwendet werden kann. Dadurch kann die generative Fertigung von Bauteilen erheblich beschleunigt werden, beispielsweise bei
Bauteilen mit massiver Geometrie, wie z.B. Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge. Die Faserkerndurchmesser der beiden eingesetzten Lichtleitfasern unterscheiden sich dabei vorzugsweise um mindestens den Faktor 4. Selbstverständlich können jedoch, je nach gewünschter Änderung des Strahldurchmessers, auch größere oder kleinere Abstufungen im Faserkerndurchmesser zwischen den eingesetzten Lichtleitfasern genutzt werden. Auch die Verwendung von mehr als zwei Lichtleitfasern, die sich jeweils im Faserkerndurchmesser unterscheiden, ist beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung selbstverständlich möglich. Weiterhin ist die Anwendung des Verfahrens und der Anordnung nicht auf das bevorzugte Anwendungsgebiet der generativen Fertigungsverfahren beschränkt. Vielmehr lässt sich diese Technik bei allen laserbasierten Verfahren einsetzen, bei denen in einer Bearbeitungs- oder Messebene zwischen unterschiedlichen Strahldurchmessern umgeschaltet werden muss.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Anordnung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 das Prinzip des optischen Strahlengangs bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung in schema- tischer Darstellung;
Fig. 2 ein Beispiel für einen Teil des optischen Aufbaus beim vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Anordnung.
Wege zur Ausführung der Erfindung In diesem Beispiel werden das Verfahren und die Anordnung am Beispiel eines generativen Fertigungsverfahrens mit Anwendung der Hülle-Kern-Strategie erläutert. In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip des optischen Strahlengangs des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der vorgeschlagenen Anordnung für den Fall von zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser dargestellt. Die erste Faser 1 weist hierbei den Faserkerndurchmesser Dl auf, der kleiner als der Faserkerndurchmesser D2 der zweiten Faser 2 ist. Die beiden Fasern kommen vom eingesetzten Laser, dessen emittierter Laserstrahl je nach beabsichtigtem Strahldurchmesser entweder in die erste Faser 1 oder in die zweite Faser 2 eingekoppelt wird. Die hierfür erforderliche Umschalteinrichtung für die Umschaltung der Einkopplung zwischen der ersten Faser 1 und der zweiten Faser 2 ist in der Figur nicht dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein System mit einem beweglichen Umlenkspiegel 3 handeln, wie er im Nachfolgenden für die Einkopplung der Laserstrahlung in das Scannersystem des optischen Systems beschrieben wird.
Für die Bearbeitung der Hülle jeder Schicht wird die Laserstrahlung am Laser in die erste Faser 1 eingekoppelt. Am Austrittsende dieser Faser 1 wird die austretende Laserstrahlung in der Kollimationsoptik 5 mit der Brennweite fκl kollimiert. Ein beweglicher Umlenkspiegel 3 wird so positioniert, dass die kollimierte Laserstrahlung der Faser 1 in den Scanner 4 geführt wird. Am Austritt aus dem Scanner 4 wird die Strahlung mit einer Fokussierlinse 7 der Brennweite f auf die Bearbeitungsebene 8 fokussiert. Durch Verwendung der ersten Faser 1 mit dem Faserkerndurchmesser Dl ergibt sich der Fokusdurchmesser dFl = (f • Dl) / fκl in der Bearbeitungsebene 8.
Zur Bearbeitung des Kerns jeder Schicht wird am Laser die Laserstrahlung in die zweite Faser 2 mit dem größeren Faserkerndurchmesser D2 eingekoppelt. Gleichzeitig wird der bewegliche Umlenkspiegel 3 aus dem Strahlengang entfernt. Die zweite Faser 2 ist so angeordnet, dass die mittels der Kollimationsoptik 6 mit der Brennweite fK2 kollimierte Laserstrahlung in den Scanner 4 geführt wird. Der Fokusdurchmesser beträgt mit dieser Einstellung dF2 = (f • D2) / fK2. Daraus ergibt sich, dass das Verhältnis der Fokusdurchmesser für den Hüll- und Kernbereich gegeben ist durch: dF2 / dFl = (D2 • fκl) / (D1 • fK2);
und falls fκl = fκ2 durch:
dF2 / dFl = D2 / Dl.
Damit lassen sich durch Nutzung der beiden Fasern 1, 2 mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser Dl, D2 durch einfaches Umschalten zwischen den beiden Fasern unterschiedliche Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene einstellen. Da für beide Lichtleitfasern der gleiche Strahlengang im Scanner 4 und durch die Fokus- sierlinse 7 genutzt wird, ist die Fokuslage in der Bearbeitungsebene jeweils gleich, so dass für die unterschiedlichen Strahldurchmesser jeweils eine Top Hat Intensitätsverteilung erreicht werden kann. Durch Einstellung annähernd gleicher Durchmesser der kollimierten Laserstrahlen nach dem Austritt aus den Fasern können deutlich höhere Laserleistungen für die Erzeugung des größeren Strahldurchmessers in der
Bearbeitungsebene eingesetzt werden, als dies mit den eingangs genannten Verfahren des Standes der Technik bei Nutzung von Zoom-Objektiven der Fall ist.
Fig. 2 zeigt schließlich ein Beispiel für einen Aufbau zur Einkopplung der über die Lichtleitfasern eintreffenden Laserstrahlung in eine Bearbeitungskopf 11, in dem sich der Scanner und die Fokussierlinse befinden. Die beiden Lichtleitfasern 1, 2 sind hierbei am Bearbeitungskopf 11 fixiert. Fig. 2a zeigt einen Zustand, bei dem die Laserstrahlung über die obere Lichtleitfaser 1 geführt wird. Über entsprechende Umlenkspiegel 10 wird diese Laser- Strahlung durch die Scannereintrittsöffnung 9 in den Bearbeitungskopf eingekoppelt. Der bewegliche Umlenkspiegel 3 ist hierbei aus dem Strahlengang entfernt.
Fig. 2b zeigt einen Zustand, bei dem auf die untere Lichtleitfaser 2 umgeschaltet wurde. In diesem Falle wird der Umlenkspiegel 3 in den Strahlengang eingebracht, um die aus dieser Faser 2 austretende und kollimierte Laserstrahlung auch hier in die Scanner- eintrittsöffnung 9 des Bearbeitungskopfes einzukoppeln. Die Kollimationsoptiken sind hierbei jeweils am Austritt der beiden Lichtleitfasern angeordnet und in den Figuren nur andeutungsweise zu erkennen.
Bezugszeichenliste
1 Erste Lichtleitfaser
2 Zweite Lichtleitfaser
3 Beweglicher Umlenkspiegel 4 Scanner
5 Erste Kollimationsoptik
6 Zweite Kollimationsoptik
7 Fokussierlinse
8 Bearbeitungsebene 9 Scannereintrittsöffnung
10 Umlenkspiegel
11 Bearbeitungskopf

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Änderung eines Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene (8) bei der generativen Fertigung von Bauteilen, bei dem der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl über eine Lichtleitfaser (1, 2) zu einem optischen System (4, 7) geführt wird, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik (7) auf die Bearbeitungsebene (8) gerichtet wird, wobei mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2) mit unterschiedlichem Faserkerndurchmesser eingesetzt werden, der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines ersten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine erste der beiden Lichtleitfasern (1) geführt und bei Austritt aus der ersten Lichtleitfaser (1) mit einer ersten Kollimationsoptik (5) kollimiert wird, und der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Erzeugung eines zweiten Strahldurchmessers in der Bearbeitungsebene (8) über eine zweite der beiden Lichtleitfasern (2) geführt und bei Austritt aus der zweiten Lichtleitfaser (2) mit einer zweiten Kollimationsoptik (6) kollimiert wird, und der Laserstrahl mit der ersten und der zweiten
Kollimationsoptik (5, 6) jeweils auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik (7) kollimiert und mit der Fokussieroptik (7) in die Bearbeitungsebene (8) fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (4, 7) mindestens ein Scannerelement (4) umfasst, mit dem die kollimierte Laserstrahlung auf die Bearbeitungsebene (8) gerichtet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserkerndurchmesser der beiden Lichtleitfasern (1, 2) so gewählt werden, dass sich die beiden Strahldurchmesser in der Bearbeitungsebene (8) um mindestens einen Faktor 4 unterscheiden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung eingesetzt wird, mit der der Laserstrahl zur Änderung des Strahldurchmessers zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser (1) und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser (2) umgeschaltet wird.
5. Anordnung zur Bearbeitung eines Bauteils oder Werkstoffs mit einem Laserstrahl, die - ein optisches System (4, 7) mit zumindest einer Scannereinheit (4) und einer Fokussieroptik (7), mit denen der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl in eine Bearbeitungsebene (8) fokussierbar ist, - mindestens zwei Lichtleitfasern (1, 2), über die der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zum optischen System (4, 7) geführt wird, und eine Umschalteinrichtung aufweist, über die zwischen einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine erste der beiden Lichtleitfasern (1) und das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) und einer Führung des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls über eine zweite der beiden Lichtleitfasern (2) und das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) umgeschaltet werden kann, wobei die zwei Lichtleitfasern (1, 2) einen unter- schiedlichen Faserkerndurchmesser aufweisen und an einem Faserausgang jeweils eine Kollimations- optik (5, 6) zur Kollimierung des aus der Lichtleitfaser (1, 2) austretenden Laserstrahls angeordnet ist, wobei die Kollimationsoptiken (5, 6) jeweils so ausgebildet sind, dass der
Laserstrahl für beide Lichtleitfasern (1, 2) auf den gleichen Durchmesser vor der Fokussieroptik (7) eingestellt wird.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung eine eingangsseitige Umschalteinheit an einem Fasereingang der beiden Lichtleitfasern (1, 2) aufweist, über die der von einem Laser emittierte Laserstrahl zwischen einer Einkopplung in die erste Lichtleitfaser (1) und einer Einkopplung in die zweite Lichtleitfaser (2) umgeschaltet werden kann.
7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung eine ausgangsseitige Umschalteinheit (3) am optischen System aufweist, mit der zwischen einer Führung des aus der ersten Lichtleitfaser (1) austretenden Laserstrahls über das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) und einer Führung des aus der zweiten Lichtleitfaser (2) austretenden Laserstrahls über das optische System (4, 7) in die Bearbeitungsebene (8) umschaltbar ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Faserkerndurchmesser der beiden Lichtleitfasern (1, 2) um mindestens einen Faktor 4 unterscheiden .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2875897B1 (de) 2013-11-21 2016-01-20 SLM Solutions Group AG Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Bestrahlungssystems zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstückes
EP3538293B1 (de) 2016-11-14 2022-07-13 Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH Verfahren zur schichtweisen additiven fertigung von bauteilen und zugehöriges computerprogrammprodukt

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105045B3 (de) * 2011-06-20 2012-06-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels selektivem Laserschmelzen
DE102011085929C5 (de) * 2011-11-08 2014-06-12 Trumpf Laser Gmbh + Co. Kg Strahlweiche und Laserbearbeitungsanlage damit
DE102011119319A1 (de) 2011-11-24 2013-05-29 Slm Solutions Gmbh Optische Bestrahlungsvorrichtung für eine Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken durch Bestrahlen von Pulverschichten eines Rohstoffpulvers mit Laserstrahlung
EP2669038B1 (de) * 2012-05-31 2021-06-23 GF Machining Solutions AG Laserkopf mit zwei Laserquellen
EP2865465B1 (de) * 2013-09-27 2018-01-17 Ansaldo Energia IP UK Limited Verfahren zur Herstellung einer metallischen Komponente mittels Zusatzlaserfertigung
DE102015103127A1 (de) 2015-03-04 2016-09-08 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Bestrahlungssystem für eine Vorrichtung zur generativen Fertigung
CN106363909B (zh) * 2016-09-05 2018-07-03 深圳市鹏安视科技有限公司 一种实现大尺寸光固化3d打印的光学投影系统
EP3546109B1 (de) 2016-11-22 2022-11-09 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Laserbearbeitungsvorrichtung und laserbearbeitungsverfahren
CN109894737B (zh) * 2019-04-17 2021-02-09 深圳信息职业技术学院 一种金属曲面的激光抛光装置以及方法
CN109894738B (zh) * 2019-04-17 2021-02-09 深圳信息职业技术学院 一种金属平面的激光抛光装置以及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0624773B2 (ja) * 1989-07-07 1994-04-06 三井造船株式会社 光学的造形法
JPH115254A (ja) * 1997-04-25 1999-01-12 Toyota Motor Corp 積層造形方法
DE19953000C2 (de) * 1999-11-04 2003-04-10 Horst Exner Verfahren und Einrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern
JP4181324B2 (ja) * 2002-01-16 2008-11-12 リコーマイクロエレクトロニクス株式会社 ビーム加工方法及びビーム加工装置
EP1577048A1 (de) * 2004-03-18 2005-09-21 Trotec Produktions- und Vertriebs GMBH Bearbeitungsvorrichtung mit zwei unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeugen und Verfahren zum Steuern derselben
JP4822737B2 (ja) * 2005-04-22 2011-11-24 ミヤチテクノス株式会社 レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2875897B1 (de) 2013-11-21 2016-01-20 SLM Solutions Group AG Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Bestrahlungssystems zum Herstellen eines dreidimensionalen Werkstückes
US9878497B2 (en) 2013-11-21 2018-01-30 SLM Solutions Group AG Method and device for controlling an irradiation system
EP3538293B1 (de) 2016-11-14 2022-07-13 Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH Verfahren zur schichtweisen additiven fertigung von bauteilen und zugehöriges computerprogrammprodukt

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Publication number Publication date
DE102007061549A1 (de) 2009-07-02
DE102007061549B4 (de) 2010-06-17
WO2009080016A3 (de) 2009-09-17

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