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1. (WO2019034259) METHOD FOR PROCESSING A MATERIAL LAYER USING ENERGETIC RADIATION HAVING VARIABLE ENERGY DISTRIBUTION
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Verfahren zur Bearbeitung einer WerkstoffSchicht mit energetischer Strahlung variabler Energieverteilung

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer WerkstoffSchicht mit

energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, bei dem mehrere voneinander getrennte energetische Strahlen zumindest zeitweise auf die WerkstoffSchicht gerichtet und in einer Bewegungsrichtung über die WerkstoffSchicht geführt werden, wobei die Werkstoffschicht innerhalb eines zu bearbeitenden Bereiches unter Erzeugung wenigstens eines zusammenhängenden Schmelzbades lokal aufgeschmolzen wird.

Die Bearbeitung von Werkstoffschichten mittels energetischer Strahlung, insbesondere mittels

Laserstrahlung, wird in vielen technischen Bereichen durchgeführt, in denen die Oberfläche durch diese Bearbeitung modifiziert oder Bauteile generativ auf einer Substratoberfläche aufgebaut werden sollen. Bei pulverbettbasierten Strahlschmelzverfahren wie zum Beispiel dem selektiven Laserschmelzen werden die Bauteile generativ direkt aus 3D-CAD-Modellen

gefertigt. In einem sich wiederholenden Prozess wird eine dünne Pulverschicht von typisch unter 100 μιη Dicke mittels Schieber auf einer Substratplatte aufgetragen und in einem nächsten Schritt mit Laserstrahlung selektiv entsprechend den Geometrieinformationen aus dem 3D-CAD-Modell geschmolzen. Dieser Kreislaufprozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der konstruktiven Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht auf einem vollständigen Schmelzen des Pulvers und zumindest teilweise der vorangegangenen Schicht. Dadurch werden Bauteildichten von bis zu 100% und mit konventionellen Fertigungsverfahren vergleichbare mechanische Eigenschaften erreicht. Aufgrund des schichtweisen

Herstellungsprozesses bietet das selektive Laserschmelzen eine nahezu unbegrenzte Geometriefreiheit und ermöglicht neue Gestaltungsmöglichkeiten für komplexe Bauteile. Für den industriellen Einsatz eines

derartigen generativen Fertigungsverfahrens muss die Herstellungsdauer für die Bauteile möglichst gering ausfallen .

Eine Reduzierung der Herstellungsdauer von

Bauteilen bei einem generativen Fertigungsverfahren erfordert eine Erhöhung der Aufbaurate, d.h. des pro Zeiteinheit aufgeschmolzenen Materialvolumens.

Abgesehen von einer Erhöhung der Effizienz der

Absorption der Laserstrahlung im Pulverbett kann eine Steigerung der Aufbaurate nur durch einen größeren Energieeintrag erreicht werden. Für die aktuell

eingesetzten kreisförmigen Laserspots, aber auch für linienförmige Intensitätsverteilungen oder ebenfalls bereits bekannte zusammenhängende Spotarrays geht dies einher mit einer Vergrößerung der Abmessungen des

Schmelzbades, woraus zwei negative Effekte resultieren. Zum einen werden aufgrund der größeren Abmessungen des Schmelzbades sowohl Oberflächenqualität als auch erreichbare Detailauflösung reduziert. Zum anderen nehmen die durch fluiddynamische Phänomene hervorgerufenen Strömungen innerhalb des Schmelzbades mit größeren zusammenhängenden Belichtungsbereichen zu, was zu Instabilitäten der nach dem Aushärten des Schmelzbades erhaltenen Schmelzspur führt. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, muss die Belichtungsgeschwindigkeit reduziert werden, was jedoch wiederum dem Ziel der

Erhöhung der Aufbaurate entgegensteht. Zur Erhöhung der Aufbaurate ist es auch möglich, die Pulverschichtdicke zu erhöhen. Daraus resultiert jedoch ebenfalls eine verringerte Oberflächenqualität und Detailauflösung.

Stand der Technik

Zur Reduzierung der Herstellungsdauer ohne

Reduzierung der Detailauflösung und Oberflächenqualität sind bereits unterschiedliche Techniken bekannt. Zum einen sind Vorrichtungen bekannt, mittels derer der Prozess des selektiven Laserschmelzens mit unterschiedlichen Spotdurchmessern durchgeführt werden kann.

Hierbei werden Bereiche, in denen eine hohe Ober-flächenqualität und Detailauflösung gefordert sind, mit kleinem Spotdurchmesser bearbeitet, wohingegen innere Bauteilbereiche mit größeren Schichtdicken, Spotdurchmessern und höherer Laserleistung erzeugt werden, da in diesen Bereichen nur eine hohe Materialdichte benötigt wird. Diese als Hülle-Kern-Strategie bezeichnete

Vorgehensweise wird beispielsweise in der EP 2 596 901 Bl näher beschrieben. Auf diese Weise kann eine erhöhte Aufbaurate ohne negative Auswirkungen auf die Bauteilqualität umgesetzt werden. Nachteilig ist jedoch, dass zur Erzeugung der unterschiedlichen Spotdurchmesser ein gegenüber konventionellen Systemen erhöhter technischer Aufwand notwendig ist. Darüber hinaus ist der

wirtschaftliche Nutzen stark von der Bauteilgeometrie abhängig. Dieser ist umso größer, je massiver das

Bauteil bzw. je größer dessen Kernvolumen ist. Daher ist die Anwendung dieses Verfahrens nur für bestimmte Bauteilklassen sinnvoll.

Diese Nachteile werden umgangen, indem anstelle einer Umschaltung des Strahldurchmessers mehrere, voneinander unabhängig gesteuerte einzelne Laserspots eingesetzt werden, wie dies beispielsweise aus der EP 2 875 897 Bl bekannt ist. Auf diese Weise wird der

Schmelzprozess parallelisiert und die Belichtungszeit proportional zur Anzahl der Anzahl der Einzelspots verringert. Zudem können mit derartigen Vorrichtungen auch die nutzbaren Bauräume entsprechender Anlagen vergrößert werden, da diese bei Verwendung einer einzelnen Bestrahlungseinrichtung - bestehend aus

Laserstrahlquelle und Strahlablenkeinheit - durch die Größe der zugehörigen Scanfelder begrenzt werden. Auf diese Weise wird die Aufbaurate erhöht, ohne die eigentlichen Prozessparameter zu verändern. Nachteilig wirken sich hier allerdings die Kosten der zusätzlichen Bestrahlungseinrichtungen sowie die konstruktive

Komplexität der anlagentechnischen Realisierung aus. Aufgrund ihrer Abmessungen ist die Anzahl an

Bestrahlungseinrichtungen, die eine bestimmte Fläche belichten können, begrenzt, so dass eine beliebige Erhöhung derselben immer auch mit einer Vergrößerung des Bauraums der Anlage einhergeht.

Die WO 2016/128430 AI offenbart eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung, in der ein optisches System zur Erzeugung einer Linienintensitätsverteilung beschrieben ist. Diese Laserlinie ist in ihren Abmessungen variabel und kann theoretisch ortsgebunden an die Erfordernisse des Bauprozesses angepasst werden. Die Intensitätsverteilung innerhalb der Linie selbst wird nicht aktiv beeinflusst, sondern ergibt sich aus den Eigenschaften der Strahlquelle und des jeweiligen optischen Systems, d.h. in Abhängigkeit der aktuellen Linienform und -große. Die Bewegung dieser Laserlinie über die Bauebene erfolgt durch Galvanometerscanner. Neben den zusätzlichen Kosten zur Erzeugung der Laserlinie wirken sich jedoch insbesondere prozessbedingte Aspekte nachteilig aus. Untersuchungen zeigen, dass bei Verwendung

linienförmiger Intensitätsverteilungen mit im Vergleich zum Einzelspot unveränderter Gesamtintensität die

Scangeschwindigkeit verringert werden muss, um stabile Schmelzspuren zu erzeugen. Im Gegensatz dazu ist eine Erhöhung der Schichtstärke im Vergleich zum Einzelspot in wesentlich größerem Umfang möglich. Dadurch kann zwar eine erhöhte Aufbaurate erzielt werden, jedoch auf Kosten der möglichen Detailauflösung. Daher ist eine derartige Maßnahme nicht allgemein, sondern nur in geeigneten Anwendungsfällen möglich.

Auch die WO 2015/003804 AI beschreibt eine

Vorrichtung zur Laserbearbeitung, bei der mittels eines Achssystems ein Belichtungs- oder Bearbeitungskopf über ein Pulverbett bewegt wird, um beispielsweise eine linienförmige Intensitätsverteilung zu erzeugen. Der Bearbeitungskopf bildet mittels einer optischen

Vorrichtung hierzu mehrere einzelnen Laserstrahlen in einer Anordnung nebeneinander oder teilweise

überlappend auf die Bearbeitungsebene ab, beispielsweise in einer Linienanordnung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes. Die Laserstrahlen werden dabei jeweils von einer separaten Strahlquelle erzeugt, mittels Lichtleitfasern zum Bearbeitungskopf geführt und simultan zur Bewegung des Bearbeitungskopfes entsprechend der zu erzeugenden Bauteilgeometrie moduliert bzw. ein- und ausgeschaltet.

Die US 2017/0021454 AI beschreibt ein Verfahren zur generativen Fertigung mit Laserstrahlen, bei dem ebenfalls ein Array aus Laserspots für die Bearbeitung genutzt wird. Die einzelnen Laserspots sind dabei so angeordnet, dass sie auf der Werkstückoberfläche voneinander räumlich getrennte Einzelschmelzbäder erzeugen. Auf diese Weise wird die Entstehung von durch Zusammenwirken mehrerer Laserspots gebildeten

zusammenhängenden Schmelzbädern vermieden, so dass keine unerwünschte Schmelzbaddynamik auftreten kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bearbeitung einer Werkstoff-schicht mit energetischer Strahlung, insbesondere

Laserstrahlung, anzugeben, das sich für die generative Fertigung von Bauteilen einsetzen lässt und eine schnelle Bauteilfertigung ohne Verlust an Oberflächenqualität und Detailauflösung ermöglicht.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung einer WerkstoffSchicht mit energetischer Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung, werden mehrere

voneinander getrennte energetische Strahlen zumindest zeitweise auf die WerkstoffSchicht gerichtet und in einer Bewegungsrichtung über die WerkstoffSchicht geführt, wobei die WerkstoffSchicht innerhalb eines zu bearbeitenden Bereiches unter Erzeugung wenigstens eines zusammenhängenden Schmelzbades lokal aufge-schmolzen wird. Unter einem zusammenhängenden Schmelzbad wird hierbei ein Schmelzbad verstanden, das durch Zusammenwirken von mehreren energetischen Strahlen gebildet wird und somit eine größere Ausdehnung

aufweist als ein durch einen einzelnen Strahl erzeugtes Einzelschmelzbad. In einer bevorzugten Ausgestaltung werden jeweils mehrere der energetischen Strahlen über einen Bearbeitungskopf auf die WerkstoffSchicht

gerichtet. Die Optik des Bearbeitungskopfes ist dabei so ausgebildet, dass sich die Spots jeweils benach-barter Strahlen in der Fokusebene berühren oder überlappen. Es können auch mehrere dieser Bearbeitungsköpfe eingesetzt werden, die simultan über die Werkstoffschicht geführt, aber hinsichtlich der emittierten energetischen Strahlen unabhängig voneinander

angesteuert werden. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass durch eine Variation der Strahlungsleistung und/oder Spotabstands senkrecht zur Bewegungsrichtung und/oder der Spotgröße der jeweils in den zu bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen Strahlen und/oder durch Einstellung eines gegenseitigen Versatzes der jeweils in den zu

bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen

Strahlen parallel zur Bewegungsrichtung eine oder mehrere Eigenschaften des Schmelzbades und/oder einer durch Erstarren des Schmelzbades erzeugten Schmelzspur beeinflusst werden. Unter den Eigenschaften des

Schmelzbades werden dabei insbesondere die Schmelzbad-ausdehnung, die geometrische Form des Schmelzbades, die Schmelzbadtiefe, das Schmelzbadtiefenprofil, die

Schmelzbaddynamik und die Temperaturverteilung

innerhalb des Schmelzbades verstanden. Unter den

Eigenschaften der erzeugten Schmelzspur werden

insbesondere die äußere Form der Schmelzspur und die

Materialverteilung bzw. das Höhenprofil der Schmelzspur verstanden. Unter einer Variation ist dabei sowohl eine räumliche als auch eine zeitliche Variation der

Parameter zu verstehen. So können bspw. benachbarte Strahlen mit unterschiedlicher Strahlungsleistung in den zu bearbeitenden Bereich gerichtet werden, ohne diese Strahlenleistung dann während der Bearbeitung der jeweiligen WerkstoffSchicht zu ändern (räumliche

Variation) . Die benachbarten Strahlen können auch mit gleicher Strahlungsleistung in den zu bearbeitenden

Bereich gerichtet werden und diese Strahlungsleistung dann während der Bearbeitung der jeweiligen Werkstoffschicht innerhalb des zu bearbeitenden Bereiches verändert werden (zeitliche Variation). Auch eine

Kombination der räumlichen und zeitlichen Variation ist möglich .

Der Einsatz des ein- oder zweidimensionalen

Multispot-Arrays bei dem vorgeschlagenen Verfahren ermöglicht in bekannter Weise eine Erhöhung des

Energieeintrags im Prozess und damit eine reduzierte Bearbeitungsdauer bzw. - bei der generativen Fertigung - eine reduzierte Herstellungsdauer dreidimensionaler Bauteile. Durch die vorgeschlagene Variation der angegebenen Parameter bzw. den gegenseitigen Versatz der jeweils in den zu bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen Strahlen wird dem bisher bei Erzeugung zusammenhängender Schmelzbäder auftretenden negativen Effekten entgegengewirkt, so dass damit eine hohe

Oberflächenqualität und Detailauflösung erreicht werden kann. Insbesondere können durch diese Variation bzw. den gegenseitigen Versatz bestimmte, durch Schmelzbad-dynamik hervorgerufene Effekte gezielt verstärkt und genutzt werden. So wird durch eine Variation der genannten Parameter bzw. den gegenseitigen Versatz eine gezielte Veränderung des Temperaturfeldes innerhalb des zusammenhängenden Schmelzbades erreicht, welches wiederum Oberflächenspannungsgradienten in der Schmelze erzeugt und somit Schmelzbadströmungen induziert. Dies wirkt sich insbesondere auf die Materialverteilung innerhalb der Schmelzspur, aber auch auf das

Aufschmelz- bzw. Schmelzbadtiefenprofil und die lokalen Erstarrungsbedingungen aus, die dadurch gezielt

beeinflusst oder eingestellt werden können. Über die Veränderung der lokalen Erstarrungsbedingungen lässt sich auch die Mikrostruktur des verfestigten Materials beeinflussen .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann

beispielsweise die Strahlungsleistung und/oder der Spotabstand und/oder die Spotgröße und/oder der

gegenseitige Versatz der jeweils in den zu

bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen

Strahlen so variiert oder zumindest teilweise

voneinander abweichend (räumliche Variation)

eingestellt werden, dass die Materialverteilung

innerhalb der bei der Bearbeitung entstandenen

Schmelzspur gegenüber einer Bearbeitung ohne eine derartige Variation bzw. ohne einen derartigen Versatz vergleichmäßigt wird. Damit können unerwünschte

Materialerhöhungen innerhalb der Schmelzspur vermieden werden .

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden die genannten Parameter so variiert oder

zumindest teilweise voneinander abweichend eingestellt, dass die Aufschmelztiefe über den vom Schmelzbad eingenommenen Bereich vergleichmäßigt wird. Eine

Vergleichmäßigung der Materialverteilung innerhalb der Schmelzspur kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein gegenseitiger Versatz der jeweils in den zu bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen Strahlen in Bewegungsrichtung eingestellt wird, bei dem ausgehend von einer ersten Seite des (zusammenhängenden) Schmelzbades jeder in Richtung der gegenüber-liegenden zweiten Seite des Schmelzbades jeweils benachbarte Strahl einen Versatz in Bewegungsrichtung aufweist, und die Strahlungsleistung der energetischen Strahlen von der ersten Seite zur zweiten Seite hin ansteigt. In gleicher Weise kann eine Beeinflussung dahingehend erfolgen, dass die Strahlungsleistung der energetischen Strahlen von der ersten Seite zur zweiten Seite hin verringert wird bzw. abnimmt. Anstelle einer Vergleichmäßigung kann durch geeignete Einstellung bzw. Variation der obigen Parameter auch eine gezielte

Materialumverteilung - jeweils bezogen auf eine

Bearbeitung ohne eine derartige Variation der Parameter bzw. ohne einen derartigen Versatz - erzeugt werden, bei der beispielsweise an einer Seite der Schmelzspur oder in deren Mitte mehr Material angehäuft wird als im verbleibenden Bereich. Eine derartige Umverteilung kann für bestimmte Bauteilgeometrien bei der generativen Fertigung von Vorteil sein. Die Variation der Parameter der einzelnen jeweils in den zu bearbeitenden Bereich gerichteten energetischen Strahlen erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise relativ

zueinander, so dass zumindest zeitweise nicht alle in den zu bearbeitenden Bereich gerichteten Strahlen die gleichen Parameter aufweisen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die genannten Parameter so variiert oder

zumindest teilweise voneinander abweichend eingestellt, dass die Schmelzbadkonvektion innerhalb des zusammenhängenden Schmelzbades verringert oder gezielt hervorgerufen oder verstärkt wird. Dies hängt von dem

gewünschten Effekt bzw. der gewünschten Wirkung auf die resultierende Schmelzspur ab.

Das vorgeschlagene Verfahren wird vorzugsweise zur generativen Fertigung eines Bauteils eingesetzt, bei der ein pulverförmiger Werkstoff für das Bauteil entsprechend der Bauteilgeometrie schichtweise durch Bestrahlung mit der energetischen Strahlung aufgeschmolzen wird, insbesondere für das Verfahren des selektiven Laserschmelzens oder Lasersinterns .

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren Laserstrahlung eingesetzt. Prinzipiell eignet sich das Verfahren jedoch auch für den Einsatz anderer energetischer

Strahlung, beispielsweise von Elektronenstrahlen. Als energetische Strahlung kann sowohl kontinuierliche (cw) als auch gepulste Strahlung, beispielsweise in Form gepulster Laserstrahlen, eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt die Bearbeitung der WerkstoffSchicht mit Hilfe eines

Bearbeitungskopfes, von dem die energetischen Strahlen nebeneinander und/oder mit ihren Spots teilweise überlappend auf die WerkstoffSchicht gerichtet werden, wobei der Bearbeitungskopf über die WerkstoffSchicht bewegt oder die WerkstoffSchicht relativ zum

Bearbeitungskopf bewegt wird. Auch der simultane

Einsatz mehrerer Bearbeitungsköpfe zur gleichzeitigen Bearbeitung einer größeren Fläche ist selbstverständlich möglich.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren kann durch

Erhöhung oder Verringerung der Leistung für einen oder mehrere energetische Strahlen im Array eine

Vergrößerung oder Verkleinerung der Temperatur in dem von den jeweiligen Strahlen bzw. Spots gerade

bestrahlten Bereich erreicht werden. Dadurch kann unter anderen eine Vergrößerung oder Verkleinerung der

Aufschmelztiefe gezielt hervorgerufen werden. Damit lässt sich die Aufschmelztiefe an die zu erzeugende Bauteilgeometrie anpassen, insbesondere innerhalb einer einzelnen Schicht beim schichtweisen Aufbau von

Bauteilen. Die Erhöhung oder Verringerung der

Strahlungsleistung einzelner Spots ermöglicht auch die Beeinflussung der Materialverteilung innerhalb der Schmelzspur hin zu Bereichen höherer oder niedrigerer Temperatur, hervorgerufen durch materialabhängige

Oberflächenspannungsgradienten. Dies ermöglicht die Anpassung der Materialverteilung an die zu erzeugende Bauteilgeometrie innerhalb des zu erzeugenden

dreidimensionalen Bauteils. In Randbereichen des

Bauteils kann hierdurch auch eine Kantenglättung durch Erzeugen von Schmelzetluss erreicht werden.

Durch die Erhöhung oder Verringerung der

Strahlungsleistung für einen oder mehrere Spots im Array lässt sich auch das Schmelzbad lokal vergrößern oder verkleinern. Damit kann eine Erhöhung oder

Verringerung der Erstarrungsdauer und dadurch eine Beeinflussung der Mikrostruktur in der erstarrten

Schmelzspur erreicht werden. Vergleichbare Effekte lassen sich durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Spotdurchmessers auf der WerkstoffSchicht erreichen.

Eine Vergrößerung oder Verkleinerung des

Spotabstandes senkrecht zur Bewegungsrichtung

ermöglicht eine Verkleinerung oder Vergrößerung des Überlappungsbereiches zwischen zwei benachbarten Spots. Dies führt auch zu einer Verringerung bzw. Erhöhung des Energieeintrags im Überlappungsbereich. Durch diese Maßnahme lässt sich die Ein- bzw. Aufschmelztiefe im Bereich zwischen zwei benachbarten Spots an die zu erzeugende Bauteilgeometrie anpassen, insbesondere innerhalb einer Schicht bei dem schichtweisen Aufbau dreidimensionaler Bauteile. Diese Maßnahme ermöglicht auch den Ausgleich von veränderten Wärmeleitungsbedingungen, hervorgerufen durch Materialverteilung unterhalb der aktuell belichteten Schicht, um dadurch Temperaturschwankungen zu vermeiden. Weiterhin kann durch diese Maßnahme die Kantengenauigkeit durch

Vergrößerung oder Verkleinerung der Größe des nicht belichteten Bereichs zwischen zwei benachbarten Spots erhöht werden, da der o.g. Schmelzefluss bzw.

Ausgleichsströmungen innerhalb des Schmelzbades neben der Strahlungsleistung je Spot maßgeblich vom Spotabstand abhängt bzw. abhängen.

Eine Vergrößerung oder Verkleinerung des

Spotabstandes parallel zur Belichtungsrichtung führt zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des zeitlichen Abstandes von Einzelbelichtungen im Überlappbereich. Dadurch kann die Abkühlphase des Schmelzbades

verlängert oder verkürzt werden, um dadurch das Einbzw. Aufschmelztiefenprofil sowie die Erstarrungsbedingungen gezielt zu beeinflussen.

Das vorgeschlagene Verfahren ist vor allem für die generative Fertigung von Bauteilen, insbesondere für pulverbettbasierte Fertigungstechniken wie das

selektive Laserschmelzen geeignet. Prinzipiell lässt sich das Verfahren jedoch auch für nicht-generative Verfahren wie beispielsweise das Laserpolieren, das Umschmelzstrukturieren oder zur Wärmebehandlung einsetzen .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für einen Aufbau eines

Bearbeitungskopfes zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;

Fig. 2 ein Beispiel für die Anordnung der Laserspots auf der WerkstoffSchicht bei Belichtung mit einem derartigen Bearbeitungskopf;

Fig. 3 ein Beispiel für einen gegenseitigen Versatz der Laserspots auf der WerkstoffSchicht in

Kombination mit einer Variation der

Strahlungsleistung;

Fig. 4 ein Beispiel für die Beeinflussung des

Aufschmelztiefenprofils und der Material- Verteilung mit dem vorgeschlagenen Verfahren;

Fig. 5 ein Beispiel für die Kantenglättung durch

ortsabhängige Anpassung der Intensitätsverteilung mit dem vorgeschlagenen Verfahren;

Fig. 6 ein Beispiel für den Einfluss der Variation des Spotabstandes beim vorgeschlagenen

Verfahren;

Fig. 7 ein Beispiel für den Einfluss der Variation der Laserleistung mit dem vorgeschlagenen Verfahren; und

Fig. 8 ein Beispiel für die Beeinflussung der

Bauteilgeometrie durch Variation der Strahlungsleistung mit dem vorgeschlagenen Verfahren .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird vorzugsweise ein Bearbeitungskopf eingesetzt, mit dem mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen mit ihren Laserspots aneinandergrenzend oder teilweise überlappend auf die WerkstoffSchicht gerichtet werden. Dadurch wird eine zusammenhängende Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene erzeugt, die sich aus den einzelnen Spots der Laserstrahlen zusammensetzt. Die Figur 1 zeigt hierzu ein Beispiel für einen Bearbeitungskopf 1, mit dem in diesem Beispiel fünf eine Laserlinie

bildende Laserspots 2 auf der WerkstoffSchicht erzeugt werden. Die Laserspots 2 werden hierbei jeweils aus fasergekoppelten Diodenlasern gebildet, deren Strahlung über die optischen Fasern 3 zu optischen Fokussier-elementen 4 im Bearbeitungskopf 1 geführt und mit diesen Fokussierelementen 4 auf die WerkstoffSchicht fokussiert wird. Im vorliegenden Beispiel wird der Bearbeitungskopf 1 mittels Linearachsen in x- und y-Richtung zeilenweise über die WerkstoffSchicht

verfahren .

Figur 2 zeigt ein Beispiel für überlappende

Laserspots 2, wie sie mit dem Bearbeitungskopf der Figur 1 auf der WerkstoffSchicht erzeugt werden können. Die Spots 2 überlappen dabei teilweise und bilden eine zusammenhängende linienförmige Intensitätsverteilung, die in Pfeilrichtung über die WerkstoffSchicht bewegt wird. Bei gleichzeitiger Belichtung eines zu

bearbeitenden Bereiches mit wenigstens zwei benachbarter Spots 2 dieses Multispot-Arrays wird ein

zusammenhängendes Schmelzbad erzeugt. Eine Veränderung der Spotanordnung (Spotabstand Ays, i und/oder Versatz Δχ3, ι in Bewegungsrichtung) , des Spotdurchmessers ds,± oder der Strahlungsleistung für die einzelnen Spots 2 kann gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren dafür genutzt werden, um innerhalb des zusammenhängenden Schmelzbades gezielt bestimmte Effekte hervorzurufen, wie dies beispielhaft anhand der bei der Bearbeitung erzeugten Schmelzspuren der Figur 4 dargestellt ist.

Diese Figur 4 zeigt jeweils im unteren Bereich jeweils einen Querschliff durch die WerkstoffSchicht und im oberen Bereich eine Draufsicht auf die

WerkstoffSchicht , in denen jeweils die Schmelzspur zu erkennen ist. Die Belichtungsrichtung ist durch den

Pfeil angedeutet. Die drei Teilabbildungen der Figur 4 zeigen von links nach rechts das Ergebnis bei einem Linienarray mit identischer Leistung je Spot, bei einem Linienarray mit einem Spotversatz in Belichtungs-richtung, wobei die Leistung zu nachlaufenden Spots (hier: rechte Spots) verringert wird, und einen

Spotversatz in Belichtungsrichtung, wobei die Leistung zu nachlaufenden Spots (hier: rechte Spots) erhöht wird. Im Querschliff ist bei identischer Leistung je Spot zu erkennen (linke Teilabbildung) , dass eine nahezu homogene Aufschmelztiefe über der Spurbreite erreicht wird, während sich eine deutliche

Materialanhäufung in der Schmelzspurmitte ergibt.

Figur 3 zeigt schematisch einen Versatz der

Spotpositionen 2 parallel zu der durch den Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung bei gleichzeitiger

Verringerung der Strahlungsleistung PL, i in Richtung der nachlaufenden Spots (vgl. oberes Diagramm der Figur 3) . Wie der mittleren Teilabbildung der Figur 4 zu

entnehmen ist, werden dadurch sowohl das Aufschmelztiefenprofil als auch die Materialverteilung

beeinflusst. Das Aufschmelztiefenprofil ist immer noch näherungsweise homogen, jedoch sind die Einflüsse der Einzelspots als halbrunde Strukturen zu erkennen. Die Materialanhäufung in der Spurmitte wird deutlich geglättet. Dies ist darauf zurückzuführen, dass durch die Verschiebung der Spots in Belichtungsrichtung eine Belichtungspause in den Überlappbereichen entsteht, so dass die jeweiligen Teilbereiche kurzzeitig abkühlen können. Dies wirkt sich auf die Materialverteilung innerhalb der Schmelzspur aus. Die Verringerung der Leistung in Richtung der nachlaufenden Spots führt auch zu einem gleichmäßigeren Temperaturfeld aufgrund etwaiger Vorwärmeffekte durch die vorderen Spots.

Bei einer Umkehrung der Leistungsverteilung, d.h. einer Erhöhung der Leistung je Spot in Richtung der nachlaufenden Spots wird ein gegenteiliger Effekt hervorgerufen. Sowohl die Aufschmelztiefe als auch die Höhe des aufgebauten Materials werden in Richtung der nachlaufenden Spots größer (rechte Teilabbildung) . Die Begründung dafür liegt wiederum in einem veränderten Temperaturfeld. Vorteilhaft sind derartige Prozessstrategien insbesondere zur Erhöhung der Detailauflösung einzusetzen, da damit die Materialverteilung während des Prozesses dynamisch der Geometrie des zu

erzeugenden Bauteils angepasst werden kann.

Eine weitere Möglichkeit, die sich durch eine Änderung des Energieeintrags ergibt, ist die Beeinflussung von Schmelzbadströmungen in Randbereichen des Bauteils. Im Allgemeinen werden die Spots des

Multispot-Arrays während der Überfahrt an einer

Bauteilkante entsprechend der Geometrie des Bauteils an- bzw. abgeschaltet. Abgesehen von wenigen Sonderfällen (z.B. Kanten senkrecht zur Belichtungsrichtung bei Verwendung eines Linienarrays ) erfolgt dies nicht zeitgleich. Durch den dadurch plötzlich wegfallenden Energieeintrag einzelner Spots erstarrt das Schmelzbad an diesen Stellen näherungsweise in der Form des Spots, d.h. typischerweise sichtbar halbkreisförmig. Dies ist in der linken Teilabbildung der Figur 5 dargestellt, die eine Draufsicht auf die auf diese Weise mit einem Linienarray (ohne Versatz der Spots in Bewegungs-richtung) erzeugte Schmelzspur darstellt. Durch eine stetige Erhöhung der Laserleistung des jeweils als nächstes abzuschaltenden Spots innerhalb des Arrays unter Ausnutzung des in der rechten Teilabbildung der Figur 4 beschriebenen Effekts lässt sich jedoch ein Glättungseffekt durch einen dadurch hervorgerufenen

Schmelzbadtransport erzielen. Das Ergebnis ist in der rechten Teilabbildung der Figur 5 dargestellt.

Figur 6 zeigt vier Beispiele, bei denen der

Spotabstand zwischen zwei nebeneinander liegenden Spots variiert wurde. Die vier Teilabbildungen repräsentieren jeweils Querschliffe der damit erzeugten Schmelzspuren. In diesem Beispiel wurde der Spotabstand Ays ausgehend von der linken oberen Teilabbildung bis zur rechten unteren Teilabbildung schrittweise erhöht. Die Unter-schiede im Schmelzbadtiefenprofil und der

Materialanhäufung in der Schmelzspur sind in den dargestellten Querschliffen deutlich zu erkennen. Die durchgezogene Linie kennzeichnet die Grenze zwischen aufgeschmolzenem und nicht aufgeschmolzenem Material.

Figur 7 zeigt den Einfluss der Variation der

Laserleistung bei drei nebeneinanderliegenden Spots. Die Laserleistung des mittleren Spots wurde hierbei in den vier Teilabbildungen, die wiederum jeweils einen Querschliff der erzeugten Schmelzspuren repräsentieren, bei gleichbleibender Leistung der jeweils außenliegenden Spots ausgehend von der linken oberen

Teilabbildung bis zur rechten unteren Teilabbildung schrittweise erhöht. Auch hier ist wiederum der

Einfluss auf das Aufschmelztiefenprofil und die

Materialverteilung innerhalb der Schmelzspur deutlich zu erkennen.

Figur 8 zeigt schließlich eine stark schematisierte Darstellung, anhand der die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ermöglichte bessere Anpassung an die Bauteilgeometrie bei der Herstellung dreidimensionaler Bauteile veranschaulicht wird. Im oberen Teil der Figur ist hierbei in der linken Teilabbildung die

Zielgeometrie 5 und in der rechten Teilabbildung das mit dem herkömmlichen Verfahren unter Verwendung eines einzelnen Spots generierte Bauteil 6 zu erkennen. Die Zielgeometrie 5 wird dabei in bekannter Weise in einzelne Schichten 7 unterteilt, die den Schichten beim Schichtaufbau des zu erzeugenden dreidimensionalen Bauteils entsprechen. Aufgrund der dargestellten

Schichten und der Bearbeitung mittels eines einzelnen Spots wird hier nur eine grobe Annäherung an die zu erzeugende Zielgeometrie 5 erreicht. Im unteren Teil der Figur sind die Verhältnisse bei der Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt, bei dem das generierte Bauteil 6 (rechte Teilabbildung) der

Zielgeometrie 5 deutlich besser angenähert wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Leistungsverteilung 8 innerhalb des Multispot-Arrays (hier mit 5 Spots) und damit innerhalb einer gerade zu belichtenden Schicht mit dem vorgeschlagenen Verfahren geeignet variiert wird, wie dies in der Figur für die verschiedenen

Schichten angedeutet ist, so dass dadurch die

Materialverteilung auch innerhalb einer gerade

bearbeiteten Schicht gezielt beeinflusst werden kann.

Bezugs zeichenliste

1 Bearbeitungskopf

2 Laserspot

3 optische Fasern

4 Fokussierelemente

5 Zielgeometrie

6 Bauteil

7 Schicht

8 Leistungsverteilung