Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche sowie eine Steuereinheit, ein Computerprogramm und ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit Instruktionen zum Steuern einer solchen Vorrichtung.

Bei der additiven Fertigung von Werkstücken ist das selektive Laserschmelzen (SLM, engl. selective laser melting) das am meisten verbreitete Verfahren. Hierbei wird auf ein Substrat ein Pulverbett aus Pulverpartikeln mit einer typischen Lagendicke von 20 pm bis 100 pm aufgezogen. An den Stellen, an denen eine feste Materiallage aufgebaut werden soll, wird das Pulver mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen, sodass sich die entstehende Schmelze mit der darunter liegenden ebenfalls aufgeschmolzenen Substratoberfläche verbindet und somit eine verfestigte neue Materiallage bildet.

Die Bewegung des Laserstrahls über das Pulverbett wird zusammen mit dem Aufschmelz- und Erstarrungsvorgang auch als „Schreiben“ bezeichnet. Ist eine Lage vollständig geschrieben, wird eine neue Lage Pulver auf die zuvor geschriebene Lage aufgebracht und der Vorgang wird wiederholt. Auf diese Weise können sehr kompliziert strukturierte Werkstücke, z. B. mit Hohlräumen, schichtweise über eine Vielzahl von Lagen aufgebaut werden.

Derartige Werkstücke sind mittels konventioneller abtragender Bearbeitung nur sehr schwer oder gar nicht herstellbar. Typische Werkstücke, die bereits mittels eines SLM-Verfahrens hergestellt werden, sind z. B. Werkstücke mit komplizierten Kanälen für Fluide, wie beispielsweise Werkstücke mit integrierten Kühlkanälen, filigrane Leichtgewichtsstrukturen mit einer Vielzahl von dünnwandigen Stützelementen oder im Bereich Medizintechnik Gelenk- sowie Dentalprothesen. Auch im Prototypenbau und in Kleinserien findet das SLM-Verfahren zunehmend Einzug.

Eng mit dem selektiven Laserschmelzen verwandt sind weitere Verfahren der additiven Fertigung, wie z. B. selektives Lasersintern (SLS, engl. selective laser sintering), das sich vom SLM-Verfahren lediglich dadurch unterscheidet, dass die Pulverpartikel nicht vollständig aufgeschmolzen, sondern stattdessen gesintert werden. Je nach konkreten Verfahrensbedingungen können mittels SLM- und SLS-Verfahren Werkstücke aus Metall, Kunststoff, Keramik und aus weiteren, durch den genutzten Laserstrahl schmelz- bzw. sinterbaren Werkstoffen aus den entsprechenden Pulvern hergestellt werden. Verfahren der additiven Fertigung, die als Energiequelle einen Laserstrahl nutzen, werden nachfolgend unter dem Begriff LAM-Verfahren zusammengefasst (LAM für engl. laser additive manufacturing).

Klassische LAM-Vorrichtungen weisen in etwa die Größe einer Fräsmaschine für eine vergleichbare Werkstückgröße auf und arbeiten mit einem Laserstrahl, der mittels einer über dem Werkstück platzierten Galvanometerscannereinheit auf die zu beschreibenden Positionen auf dem vorbereiteten Pulverbett gelenkt wird. Die Prozesszeiten für ein Werkstück sind relativ lang, da auf jeder der vielen Lagen alle aufzuschmelzenden Bereiche mit einem Laserstrahl mit einem relativ schmalen Fokusdurchmesser von typischerweise 50 pm vollständig abgescannt werden müssen, wobei die Scangeschwindigkeiten für gute Prozessergebnisse meist kleiner als 2 m/s sind. Entsprechend teuer sind daher die mittels dieses Verfahrens hergestellten Werkstücke, weshalb diese vorrangig im Bereich von Investitionsgütern oder in der Medizintechnik zum Einsatz kommen, nicht jedoch im Endverbraucherbereich. Für Werkstücke mit einem Volumen von wenigen Litern werden abhängig vom Volumenfüllgrad und von der Komplexität der zu schreibenden Strukturen durchaus Preise im fünfstelligen Eurobereich aufgerufen. Um die Prozesszeiten reduzieren zu können, bieten mehrere Hersteller von LAM-Vorrichtungen Vorrichtungen mit bis zu vier Laserscaneinheiten an. Damit können zwar die Prozesszeiten deutlich reduziert werden, nicht aber um die Größenordnungen, die notwendig wären, um das Verfahren für einen breiteren Einsatzbereich attraktiv zu machen, wie z. B. die Herstellung von Ersatzteilen bei Bedarf (engl. spare parts on demand) anstelle von z. T. jahrelanger Lagerhaltung.

Eine substantielle Verkürzung der LAM-Prozesszeiten könnte durch hochgradige Parallelisierung des Schreibvorgangs erreicht werden, so dass im Idealfall eine komplette Lage in einem Durchgang geschrieben wird, indem ein Lineal mit ansteuerbaren Laserlichtpunkten linear über das Pulverbett geführt wird.

Ein solcher Ansatz ist prinzipiell aus der US 2017 / 0 021 454 A1 bekannt. Das in der US 2017 / 0 021 454 A1 beschriebene Verfahren sieht dabei einen Abstand zwischen den durch den Laserstrahl erzeugten Schmelz- bzw. Sinterbereichen vor, indem die Laserlichtpunkte entsprechend voneinander beabstandet werden. Vorrichtungsseitig sind ein Laserstrahlquellenarray und ein Optikkopf vorgesehen, die mittels optischer Fasern miteinander gekoppelt sind. Zur Durchführung des Schreibvorgangs ist eine Bewegungseinheit zur Bewegung des Optikkopfes relativ zum Pulverbett vorhanden, sodass die Laserstrahlen zu den gewünschten Positionen im Pulverbett geführt werden können. Mittels einer Steuereinheit werden die einzelnen Laserstrahlquellen des Laserstrahlquellenarrays je nach Bedarf gesteuert.

Wie genau die Vielzahl von Faserlichtquellen in das Pulverbett abgebildet werden soll, wird in der US 2017 / 0 021 454 A1 hingegen nicht erläutert. Es wird lediglich eine abstrakte Optikeinheit mit einer oder mehreren Linsen beschrieben, die der Fokussierung der einzelnen aus den Fasern austretenden Laserstrahlen dient, so dass der gewünschte Abstand der Schmelz- bzw. Sinterbereiche erzielt werden kann.

Der in der US 2017 / 0 021 454 A1 dargestellte Strahlengang lässt auf Einzelabbildungsoptiken für jede Faser schließen, was trotz eines relativ geringen Abstandes zwischen der Optikeinheit und dem Pulverbett einen relativ großen Abstand zwischen den einzelnen Faserenden erfordert. Dieser Abstand ist proportional zur ausgangsseitigen numerischen Apertur der Optikeinheit und proportional zum Arbeitsabstand der Optikeinheit zum Pulverbett. Dazu kommt noch der laterale Bauraum für die optische Fassungstechnik.

Ein Zahlenbeispiel soll die Problematik veranschaulichen. Geht man von einer ausgangsseitigen numerischen Apertur von 0,08 und einem Arbeitsabstand zwischen Optikeinheit und Pulverbett von 200 mm aus, dann bedingt dies einen Strahldurchmesser ausgangsseitig von 2 x 0,08 x 200 mm = 32 mm. Unter Berücksichtigung des erforderlichen Bauraums für die Fassungstechnik ergibt sich daraus ein Durchmesser von etwa 50 mm für einen optischen Kanal. Das bedeutet, dass über eine angenommene Werkstückbreite von 500 mm nur etwa zehn Lichtquellen nebeneinander angeordnet werden können.

Wird jedoch ein Pixelabstand von 50 pm angestrebt, um auch feinere Strukturen im Bereich von 0,1 mm mit hinreichender Auflösung schreiben zu können, so müsste das Pixelarray 10 x 1 000 = 10 000 Elemente groß sein, womit sich mit den abgeschätzten Dimensionen eines optischen Kanals von 50 mm das Faserarray des Optikkopfes in der zweiten Richtung auf 50 mm x 1 000 = 50 m erstrecken würde. Dies erscheint zwar theoretisch denkbar, ist praktisch aber kaum realisierbar und würde eine sehr große LAM-Vorrichtung bedingen.

Die Ausmaße der Optikeinheit und des Faserarrays könnten durch die Bildung von Arrays aus Subarrays reduziert werden, wobei sich die Lichtpunkte eines Subarrays jeweils ein gemeinsames Objektiv der Optikeinheit teilen. Aber auch hier besteht das Problem, dass der Abstand zwischen den einzelnen Objektiven durch den Bildabstand, die ausgangseitige numerische Apertur und den Fassungsbauraum gegeben ist.

Hinzu kommt, dass bei Leistungen von 100 W - 1 kW pro Lichtpunkt von einer maximalen optischen Gesamtleistung von 1 MW - 10 MW ausgegangen werden sollte. Selbst bei Minimierung der Verluste in der Optikeinheit auf größenordnungsmäßig 1 % resultieren daraus Verlustleistungen von 10 kW bis 100 kW in der Optikeinheit, die in Wärme dissipiert werden. Die Abfuhr solcher Wärmeleistungen in dem beengten Bauraum, der innerhalb der Optikeinheit verbleibt, stellt eine große bis unlösbare Herausforderung dar.

Darüber hinaus stellt der notwendige geringe Abstand zum Pulverbett ein großes Problem dar, da die Optikeinheit dem Auswurf von glühenden Partikeln und Rauch aus der Schmelzzone direkt ausgesetzt ist und ohne aktive Gegenmaßnahmen sehr schnell verschmutzen und damit unbrauchbar werden würde. Des Weiteren bedingt die Nähe der Optikeinheit zum Pulverbett eine deutliche Einschränkung beim Design der Vorrichtungen zur Vorbereitung des Pulverbetts und zur Kühlung desselben.

Weiterhin bedingt die aus der US 2017 / 0 021 454 A1 bekannte Vorrichtung mit einem beweglichen Optikkopf ein Faserbündel an optischen Fasern, das bei Bewegung des Optikkopfes mitgeführt werden muss. Die üblichen Faserkabel für Hochleistungslaser mittlerer Leistungsklasse (ca. 100 W bis ca. 1.500 W) weisen einen Durchmesser von etwa 10 mm aufgrund der notwendigen mechanischen Robustheit und Panzerung auf, sind aber dennoch hinreichend flexibel, sodass sie ggf. auch zur Ausführung von Lateralbewegungen im Bereich bis zu mehreren Metern geeignet wären.

Eine Erweiterung auf einige wenige parallel geführte Faserkabel erscheint zwar durchaus denkbar. Eine flexible Kabelbrücke für mehrere hundert bis hin zu mehreren tausend Faserkabeln zu realisieren, die auch noch über den Werkstückbereich in zwei Achsrichtungen beweglich sind, bedingt jedoch einen sehr aufwendigen bis nicht praktikablen Kabelschlepp.

Eine Bewegung des Pulverbetts anstelle des Optikkopfes, wie sie in der US 2017 / 0 021 454 A1 ebenfalls beschrieben wird, erscheint zwar prinzipiell denkbar, jedoch wird bei großen Beschleunigungen (> ca. 2 m/s ² ) das plangezogenen Pulverbett zerstört und eventuell auch das darin eingebettete aufgebaute Werkstück abhängig von dessen Design und Bauzustand. Damit stellen die maximalen Beschleunigungen von Pulverbett und Werkstück eine inhärente Begrenzung bei der Trajektorienplanung des Schreibprozesses dar, was im Allgemeinen in einer deutlichen Durchsatzbeschränkung resultiert.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen zumindest einige der vorstehend erläuterten Nachteile verringert oder sogar ganz vermieden werden können. Eine weitere Aufgabe ist es, eine Steuereinheit, ein Computerprogramm sowie ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium mit Instruktionen zum Steuern einer solchen Vorrichtung anzugeben.

Wünschenswert wäre es, ein dicht gepacktes Lichtquellenarray auf der Oberfläche eines planen Pulverbetts abbilden zu können. Vorzugsweise sollte der Abstand zwischen Optikeinheit und Pulverbett ausreichend groß sein. Zudem sollte die Anzahl an optischen Grenzflächen möglichst gering sein, die optischen Grenzflächen sollten mit sehr geringen optischen Verlusten realisiert werden können und dissipierte Wärme sollte gut abführbar sein. Des Weiteren sollte das Abbild des Lichtquellenarrays über die Oberfläche des Pulverbetts bewegt werden können, ohne das Lichtquellenarray selbst oder das Pulverbett bewegen zu müssen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungsvananten dieser erfindungsgemäßen Lösungen.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein Projektionsobjektiv auf. Das mindestens eine Projektionsobjektiv ist im Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnet und weist einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf. Das mindestens eine Projektionsobjektiv ist lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar.

Unter einem Lichtquellenarray kann eine ein-, zwei- oder dreidimensionale

Anordnung einer oder bevorzugt mehrerer Lichtquellen, z. B. zwischen 100 und 100.000 Lichtquellen, verstanden werden. Bei einer eindimensionalen Anordnung sind z. B. alle Lichtquellen in einer Reihe angeordnet, bei einer zweidimensionalen Anordnung sind die Lichtquellen auf einer Fläche verteilt angeordnet, z. B. in Form mehrerer Reihen und Spalten. Die Abstände der Lichtquellen zueinander können gleich oder verschieden sein. Alle Lichtquellen können in einer Ebene angeordnet sein. Je nach Bedarf können die Lichtquellen aber auch auf einer gekrümmten Fläche angeordnet sein.

Bevorzugt können die Lichtquellen des Lichtquellenarrays auf der Objektfläche des Projektionsobjektivs angeordnet sein. Ist die Objektfläche eben, so kann folglich auch das Lichtquellenarray eben ausgebildet sein. Ist die Objektfläche gekrümmt, so kann folglich auch das Lichtquellenarray eine Krümmung aufweisen. Beispielsweise können die Lichtquellen auf einem Teil einer um die Symmetrieachse der Optik zentrierten rotationssymmetrischen Fläche angeordnet sein. Diese rotationssymmetrische Fläche kann beispielsweise eine sphärische oder asphärische Fläche, z. B. eine parabolische Fläche, sein.

Das Lichtquellenarray kann aus direkten Lichtquellen, z. B. Laserlichtquellen, beispielsweise in Form von Laserlichtdioden, gebildet sein oder es kann mit direkten Lichtquellen lichtleitend verbunden sein, so dass von den direkten Lichtquellen erzeugtes Licht zum Lichtquellenarray geleitet und von diesem in die Umgebung abgegeben wird. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, Licht direkter Lichtquellen, die ebenfalls in Form eines Arrays angeordnet sein können, über Lichtleiter, deren Enden das Lichtquellenarray bilden, an die Umgebung abzugeben. Mögliche Lichtleiter sind z. B. Lichtwellenleiter bzw. Lichtleitfasern, wobei unterschiedliche Fasertypen, z. B. Monomodefasern, Multimodefasern, z. B. Stufenindexfasern oder Gradientenindexfasern, „photonische Kristall“-Fasem, „Hollow-Core“-Fasern u. a., zur Anwendung kommen können. Mit anderen Worten umfasst der Begriff Lichtquellenarray auch ein aus Enden von Lichtleitern gebildetes Array.

Im Rahmen der Erfindung kann das Lichtquellenarray bevorzugt als Laserstrahlquellenarray ausgebildet sein, d. h. als Licht kann Laserstrahlung genutzt werden. Die Wellenlänge der Laserstrahlung kann je nach Bedarf, z. B. in Abhängigkeit der gewünschten Materialwechselwirkung, gewählt sein und z. B. im Bereich zwischen 100 nm und 3 pm, aber auch im Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlung oder anderer elektromagnetischer Strahlung liegen.

Weiter bevorzugt sind die Lichtquellen des Lichtquellenarrays derart ausgebildet, dass das von ihnen ausgesandte Licht ein Material aufschmelzen oder sintern kann. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung eingerichtet und ausgebildet sein.

Das Lichtquellenarray kann derart ausgebildet sein, dass die Lichtquellen des Lichtquellenarrays gemeinsam angesteuert werden können, d. h. alle Lichtquellen werden gemeinsam aktiviert und deaktiviert. Daneben kann vorgesehen sein, dass Lichtquellen des Lichtquellenarrays einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind, so dass einzelne Lichtquellen bzw. Gruppen von Lichtquellen aktiviert und deaktiviert werden können. Dies ermöglicht die Erzeugung unterschiedlicher Abbilder und folglich einen unterschiedlichen Energieeintrag in die Projektionsfläche, z. B. die Oberfläche des Pulverbetts. Die Ausführung eines LAM-Verfahrens mit der Vorrichtung kann dadurch präziser erfolgen.

Der Begriff „Projektionsfläche“ bezeichnet vorliegend eine Fläche, vorzugsweise eine Ebene, auf die das Abbild des Lichtquellenarrays projiziert wird. Die Projektionsfläche liegt folglich zumindest teilweise in der Bildebene des Projektionsobjektivs. Wie nachstehend noch genauer erläutert werden wird, kann die Projektionsfläche z. B. die Oberfläche eines Pulverbetts sein, das z. B. im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens verwendet wird. Mit anderen Worten kann die Projektionsfläche aus einem schmelz- oder sinterbaren Material, z. B. einem schmelz- oder sinterbaren Pulvermaterial, beispielsweise einem Metallpulver, gebildet sein.

Das Projektionsobjektiv ist im Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnet, so dass optische Elemente des Projektionsobjektivs mit der vom Lichtquellenarray ausgesandten Lichtstrahlen wechselwirken und diese auf die Projektionsfläche projizieren bzw. ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche erzeugen können.

Die Vorrichtung kann auch mehrere Projektionsobjektive aufweisen, um beispielsweise eine Werkstückbreite bzw. eine entsprechend große Projektionsfläche durch mehrere Projektionsobjektive abdecken zu können. Dies kann vorteilhaft sein, um die Projektionsobjektivgröße bei gegebener Werkstückgröße kleiner zu wählen und damit die Fertigungskosten eines Projektionsobjektivs zu reduzieren. Es können aber auch bei gegebener Projektionsobjektivgröße größere Werkstücke gefertigt werden, indem mehrere Projektionsobjektive nebeneinander angeordnet werden.

Damit können konfigurierbare Maschinen- und Werkstückgrößen ermöglicht werden, bei denen die Anzahl der Varianten an Projektionsobjektiven drastisch und bestenfalls bis auf eine einzige Variante reduziert werden kann. Mit anderen Worten kann die Vanantenvielfalt der Projektionsobjektive deutlich reduziert werden, indem eine Minimalgröße festgelegt wird und bei größeren Werkstücken oder Maschinen mehrere Projektionsobjektive nebeneinander verwendet werden.

Die Position des Abbilds auf der Projektionsfläche kann durch laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays, bezüglich der Projektionsfläche oder bezüglich sowohl des Lichtquellenarrays als auch der Projektionsfläche geändert werden, d. h. das laterale Verschieben des Projektionsobjektivs bewirkt eine entsprechende Verschiebung des Strahlengangs. Mit anderen Worten kann das Projektionsobjektiv selbst in einer Ebene im Wesentlichen parallel zum Lichtquellenarray und parallel zur Projektionsfläche unter Beibehaltung des Abstands zwischen Projektionsobjektiv und Lichtquellenarray sowie Projektionsobjektiv und Projektionsfläche bewegt werden.

Zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs kann die Vorrichtung eine Verfahreinheit aufweisen, die zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs ausgebildet ist. Eine solche Verfahreinheit kann u. a. Antriebe und Führungen aufweisen. Die Position zumindest des Lichtquellenarrays oder der Projektionsfläche, bevorzugt sowohl des Lichtquellenarrays als auch der Projektionsfläche, kann hingegen unveränderlich sein, d. h. das Lichtquellenarray und/oder die Projektionsfläche können stationär, insbesondere stationär in x-Richtung und y-Richtung, angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass keine Einrichtungen zur Positionsänderung des Lichtquellenarrays bzw. der Projektionsfläche, wie z. B. eine Verfahreinrichtung, eine Steuerung, eine flexible Kabelbrücke, etc., erforderlich sind.

Optional, beispielsweise zur Realisierung größerer Positionsänderungen, kann jedoch auch eine laterale Verschiebung der Projektionsfläche gegenüber dem Projektionsobjektiv vorgesehen sein.

Das Projektionsobjektiv weist einen in mindestens einer Raumrichtung von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m auf. Mit anderen Worten ist der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung nicht +1. Der Abbildungsmaßstab ist definiert als das Verhältnis zwischen der Bildgröße des Abbilds des Lichtquellenarrays und der realen Größe des Lichtquellenarrays.

Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv in mindestens einer Raumrichtung einen negativen Abbildungsmaßstab m aufweisen, d. h. einen Abbildungsmaßstab m < 0. Weiter bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung im Bereich -10 < m < -0,1 , weiter bevorzugt im Bereich -10 < m < -1 und besonders bevorzugt im Bereich -2 < m < -1 , liegen. Der Abbildungsmaßstab m kann beispielsweise in mindestens einer Raumrichtung -1 sein. Ein negativer Abbildungsmaßstab bedeutet, dass das Abbild des Lichtquellenarrays gegenüber dem Lichtquellenarray umgekehrt ist.

Ein Abbildungsmaßstab m, für den |m| > 10 gilt, ist ebenso möglich. Allerdings wird mit zunehmendem Betrag des Abbildungsmaßstabs entweder das abgebildete Lichtquellenarray mit dessen Lichtpunkten so groß, dass nur noch grobe Strukturen geschrieben werden können oder das Lichtquellenarray muss objektseitig entsprechend verkleinert werden, was durch die Packungsdichte der Lichtquellen und der minimalen praktikablen Größe der Lichtquellen begrenzt wird. Des Weiteren hat eine Verkleinerung der Lichtquellen zur Folge, dass der Divergenzwinkel der Lichtstrahlen dem Verkleinerungsfaktor entsprechend ansteigt und damit ebenfalls die notwendige eingangsseitige numerische Apertur des Projektionsobjektivs. Dies ist dadurch begründet, dass das Strahl-Parameter-Produkt 0owo eines idealen Gauß-Strahls ausschließlich von der Wellenlänge X abhängt und dieses auch nicht unterschritten werden kann. Hierbei stehen wo für den Strahlradius in der Strahltaille und 0o für den halben Strahldivergenzwinkel im Fernfeld. Für einen Gauß-Strahl mit einem für SLM-Anwendungen typischen Strahlradius von wo = 25 pm ergibt sich beispielsweise bei einer Wellenlänge von X = 1 ,0 pm ein Fernfeld-Divergenzwinkel von 0o = 12,7 mrad. Möchte man nun mit einem Objektiv mit einem Abbildungsmaßstab von m = 10 ausgangsseitig einen Strahlradius von wo = 25 pm erhalten, müsste der Strahlradius eingangsseitig um den Abbildungsmaßstab reduziert werden. Dies impliziert wiederum, dass der Divergenzwinkel des eingangsseitigen Strahls um den Abbildungsmaßstab anwächst, in diesem Fall also auf 0o = 127 mrad. Damit das Objektiv die Ausläufer des Gauß-Strahls nicht zu eng abscheidet, müsste die eingangsseitige numerische Apertur des Objektivs auf den 1 ,5- bis 2-fachen Divergenzwinkel ausgelegt werden, also eine numerische Apertur von etwa 0,2 bis 0,25. Ab einer numerischen Apertur von etwa 0,2 bis 0,3 wächst die Designkomplexität eines Projektionsobjektives jedoch im Allgemeinen dramatisch an.

Der in mindestens eine Raumrichtung von +1 abweichende Abbildungsmaßstab bewirkt, dass das Abbild bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs in mindestens einer Raumrichtung lateral bezüglich des Lichtquellenarrays verschoben wird. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in eine Raumrichtung von +1 ab, kann das Abbild lateral in eine Raumrichtung verschoben werden. Weicht der Abbildungsmaßstab in Draufsicht auf die Vorrichtung in beide Raumrichtungen von +1 ab, kann das Abbild lateral in beide Raumrichtungen verschoben werden. Der konkret gewählte Abbildungsmaßstab gibt vor, um welche laterale Strecke das Abbild bei lateraler Bewegung des Projektionsobjektivs verschoben wird. Beispielsweise ergibt sich bei einem Abbildungsmaßstab m = -1 bei einer linearen lateralen Bewegung des Projektionsobjektivs eine doppelt so weite Verschiebung des Abbilds in der Bildebene.

Bei einem Abbildungsmaßstab m = -2 ist das Abbild gegenüber dem Lichtquellenarray um das Dreifache der Strecke, um die das Projektionsobjektiv verschoben wurde, verschoben. Mithin kann durch die Wahl des Abbildungsmaßstabs die Verschiebung des Abbilds gegenüber dem Lichtquellenarray festgelegt werden. Die Verschiebung des Projektionsobjektivs resultiert in einem Abscannen der Projektionsfläche, so dass das Projektionsobjektiv auch als scannendes Objektiv bezeichnet werden kann.

Die erzeugten Abbilder können je nach verwendeter Lichtstrahlung weitere Vorgänge bewirken. Beispielsweise kann Material im Bereich des Abbilds durch den Lichteintrag aufgeschmolzen oder gesintert werden. Folglich kann die Vorrichtung im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens genutzt werden, wobei die Position des Abbilds die Stellen festlegt, an denen durch Schmelz- oder Sintervorgänge feste Materiallagen aufgebaut werden sollen. Durch ein entsprechendes Abscannen der Projektionsfläche durch die beschriebene Bewegung des Projektionsobjektivs können die einzelnen Lagen, wie eingangs erläutert, geschrieben werden.

Damit beim Aufbau weiterer Lagen die Strahlfoki in der Projektionsfläche gehalten werden können, kann zum Aufbau weiterer Lagen eine Verschiebung der Projektionsfläche gegenüber dem Projektionsobjektiv vorgesehen sein, d. h. das Pulverbett kann entlang der Hauptstrahlen der optischen Strahlen, also in z-Richtung, gegenüber dem Projektionsobjektiv verschiebbar ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht das Abbilden eines dicht gepackten Lichtquellenarrays auf eine plane Projektionsfläche, z. B. ein planes Pulverbett. Durch gezielte Auswahl der optischen Eigenschaften des Projektionsobjektivs kann dabei ein ausreichend großer Abstand zwischen dem Projektionsobjektiv bzw. der Optikeinheit und dem Pulverbett gewährleistet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet zudem folgende weitere Vorteile:

Das gesamte Lichtquellenarray kann abgebildet werden. Die Packungsdichte der Lichtquellen, z. B. der Faserenden von Lichtleitfasern, ist somit nicht durch das abbildende optische System begrenzt, sondern nur durch die Packungsdichte der Lichtquellen selbst, die im Bereich von wenigen Millimetern oder sogar darunter liegen kann. Hierdurch kann ein Lichtquellenarray, z. B. ein Faserarray, derart kompakt realisiert werden, dass dieses in den Feldakzeptanzbereich eines hinsichtlich der Baugröße noch praktikablen Projektionsobjektivs passt.

Zudem kann mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung ein Scanprinzip realisiert werden, bei dem vorrangig nur das Projektionsobjektiv bewegt wird. Dadurch müssen keine Bündel von Lichtleitern, z. B. optischen Fasern, die die direkten Lichtquellen mit dem Lichtquellenarray verbinden, mitgeführt werden. Auch das Pulverbett mit dem auszubildenden Werkstück kann während des Schreibens einer Lage in Ruhe verbleiben, sodass die eingangs beschriebenen design- und bauzustandsabhängigen Einschränkungen der Maximalbeschleunigungen für den Scanprozess nicht zum Tragen kommen. Die mechatronischen Eigenschaften des bewegten Projektionsobjektivs sind hingegen unabhängig vom Werkstück und vom Pulverbett, weshalb die Parameter der Objektivbewegung universell sind. Das Projektionsobjektiv selbst kann entsprechend den notwendigen mechatronischen Eigenschaften und Beschleunigungen ausgelegt werden.

Daneben kann die Vorrichtung auch zur Ausführung bekannter Scanprinzipien genutzt werden, so dass die Vorrichtung sehr variabel einsetzbar ist.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein- oder beidseitig telezentrisch ausgebildet sein. Bevorzugt kann das Projektionsobjektiv zumindest objektseitig telezentrisch ausgebildet sein. Weiter bevorzugt kann das Projektionsobjektiv beidseitig, also Objekt- und bildseitig, telezentrisch ausgebildet sein.

Telezentrisch bedeutet, dass die Eintritts- bzw. Austrittspupille des Projektionsobjektivs im Unendlichen liegt und folglich alle Hauptstrahlen im Objekt- bzw. Bildraum parallel zur optischen Achse verlaufen. Folglich betragen die Objekt- bzw. bildseitigen Hauptstrahlwinkel 0°. Geringfügige Abweichungen, z. B. herstellungsbedingte Abweichungen, von einer idealen Parallelität sind möglich. Beispielsweise können die Objekt- bzw. bildseitigen Hauptstrahlwinkel kleiner 5°, bevorzugt kleiner 2°, weiter bevorzugt kleiner 1 ° sein.

Eine beidseitig telezentrische Ausbildung des Projektionsobjektivs bewirkt, dass keine oder allenfalls sehr geringe Verzeichnungsfehler erzeugt werden. Durch das beidseitig telezentrische Design wird erreicht, dass Form- und Lagetoleranzen in z - Richtung, also in Richtung der optischen Achse, des Lichtquellenarrays einerseits und der Projektionsfläche andererseits nur zu Kontrastverlusten führen, nicht aber zu Verzeichnungsfehlern der optischen Abbildung. Die Empfindlichkeit hinsichtlich Kontrastverlusten durch Defokussierung ist bei den relativ kleinen numerischen Aperturen von üblicherweise kleiner als 0,1 durchaus moderat und im Allgemeinen gut zu beherrschen. Dies bedeutet, dass der Radius eines Spots bei Defokussierung nur moderat zunimmt. Bei einer numerischen Apertur von 0,1 wächst der Strahlradius um 10 pm bei 100 pm Verschiebung. Soll der Radius eines Strahls von z. B. 25 pm auf 2 pm stabil gehalten werden, so muss die Fokuslage auf 20 pm genau kontrolliert werden. Dies ist zwar nicht einfach, aber noch beherrschbar.

Die objektseitige bzw. eingangsseitige Telezentrie hat zudem den Vorteil, dass alle Lichtquellen, z. B. alle Faserenden auf dem Faserarray, parallel nebeneinander angeordnet werden können, wodurch die Notwendigkeit einer individuellen Orientierung der Lichtquellen, z. B. also der Faserenden, vermieden werden kann. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich einer möglichst hohen Packungsdichte der Lichtquellen und einer einfachen Fertigung des Lichtquellenarrays. Besonders vorteilhaft ist die objektseitige Telezentrie zudem für das Lichtquellenarray während des Scanprozesses. Dadurch kann nämlich vermieden werden, dass die individuelle Orientierung jeder einzelnen Lichtquelle abhängig von ihrer aktuellen Lage im Objektfeld der feldabhängigen Orientierung des Hauptstrahls nachgeführt werden muss. Ein solches Nachführen würde zum einen zu einer sehr hohen Komplexität des Lichtquellenarrays führen und zum anderen würde der notwendige Bauraum für eine aktive individuelle Strahlnachführung die Packungsdichte der Lichtquellen im Lichtquellenarray sehr stark, d. h. um mindestens eine Größenordnung, begrenzen. Mit anderen Worten kann durch die objektseitige Telezentrie die Komplexität des Lichtquellenarrays verringert und Bauraum eingespart werden.

Die objektseitige Telezentrie sorgt dafür, dass auf jeder Feldposition die parallelen Achsen der rotationssymmetrischen Abstrahlkegel der Lichtquellen mit den aufgrund der Telezentrie ebenfalls parallelen objektseitigen Hauptstrahlen des Projektionsobjektivs zusammenfallen. Das Zusammenfallen der Symmetrieachsen der Abstrahlkegel mit den objektseitigen Hauptstrahlen des Projektionsobjektivs bewirkt, dass eine Überschreitung der durch die objektseitige Pupille gegebenen Apertur des Projektionsobjektivs vermieden werden kann. Eine mit einer solchen Überschreitung einhergehende Vignettierung und eine durch die Vignettierung hervorgerufene beugungsbedingte Aufweitung der Punktspreizfunktion (engl. point spread function) des Abbilds können vermieden werden. Des Weiteren wären mit einer Überschreitung der eingangsseitigen Apertur optische Verluste und eine Streulichtgenerierung an der Aperturblende des Projektionsobjektives verbunden, was beides unerwünscht ist, und durch die objektseitige Telezentrie des Projektionsobjektivs daher vorteilhaft vermieden werden kann.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein refraktives Objektiv sein.

Refraktives Objektiv bedeutet, dass die Mehrheit der optisch wirksamen Flächen, bevorzugt alle optisch wirksamen Flächen, brechende Flächen sind oder dass die Anzahl der optisch wirksamen brechenden Flächen der Anzahl an optisch wirksamen spiegelnden Flächen entspricht. Ein solches refraktives Objektiv weist ein oder mehrere Linsen, jedoch keine Spiegel auf. Beispielsweise können zwei in z-Richtung voneinander beabstandete Linsen angeordnet sein. Weitere Linsen, z. B. zur Korrektur von Feldkrümmung und Bildfehlern, z. B. von feldlagenabhängigen Bildfehlern, können vorhanden sein.

Ein refraktives Objektiv hat den Vorteil einer einfachen und preisgünstigen Fertigung. Darüber hinaus hat ein refraktives Objektiv den Vorteil, dass es im Allgemeinen rotationssymmetrisch ausgeführt werden kann, was vorteilhaft für die Linsenfertigung, die Objektivmontage und auch für die Justage ist. Des Weiteren hat eine refraktive Optik gegenüber einer reflektiven Optik den Vorteil, dass diese im Allgemeinen bei gleicher numerischer Apertur und gleicher Feldgröße wesentlich kompakter in der lateralen Ausdehnung ist, da bei einer reflektiven Optik meist die Strahlen an den Spiegeln vorbeigeführt werden müssen.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Projektionsobjektiv ein Spiegelobjektiv sein.

Spiegelobjektiv bedeutet, dass die Mehrheit der optisch wirksamen Flächen, bevorzugt alle optisch wirksamen Flächen, reflektierende Flächen sind. Plane Spiegel, die nur zur geometrischen Umlenkung des Lichtstrahlengangs dienen, stellen keine optisch wirksamen Flächen dar.

Spiegelobjektive bieten vorteilhaft die Möglichkeit, den Strahlengang zu falten, so dass im Vergleich zu einem nicht gefalteten Strahlengang weniger Bauraum, insbesondere in der Höhe, für das Projektionsobjektiv und für die Vorrichtung insgesamt benötigt wird. Durch den gefalteten Strahlengang kann ein großer Abstand zwischen dem Pulverbett und den Spiegeln realisiert werden, sodass die Spiegel außerhalb der Reichweite von aus der Schmelzzone herausgeschleuderten Partikeln und austretenden Staubwolken angeordnet werden können. Außerdem ist ausreichend Bauraum vorhanden, um zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. laterale Gasvorhänge einführen zu können, um die Spiegel sauber zu halten. Zudem weisen Spiegel im Vergleich zu Linsen, die für das vorgeschlagene Projektionsobjektiv mit einem großen Durchmesser und einer großen Mittendicke ausgebildet sein müssten und folglich eine hohes Gewicht aufweisen würden, ein geringeres Gewicht auf, was Vorteile in Hinblick auf eine Bewegung des Projektionsobjektivs bietet, da z. B. bei Beschleunigung geringere Kräfte wirken. Auch eine Begrenzung der Beschleunigung aufgrund der durch Bruchspannungen bedingten Begrenzung der maximalen Kräfte an der Linsenfassung ist nicht erforderlich. Folglich lassen sich mit einem Spiegelobjektiv im Vergleich zu einem refraktiven Objektiv höhere Beschleunigungen realisieren, so dass der Scanprozess mit entsprechend höherer Geschwindigkeit, also einer höheren Scanrate, durchgeführt werden kann.

Zudem hat ein als Spiegelobjektiv ausgebildetes Projektionsobjektiv den Vorteil, dass die Anzahl an Grenzschichten minimiert ist und optische Absorption im Linsenmaterial vermieden wird. Zudem können hochreflektive optisch wirksame Flächen eingesetzt werden, sodass sehr geringe Absorptions- und Streuverluste, z. B. Verlusten < 0,1 %, resultieren. Darüber hinaus wird ein effizienter Abtransport der von den optisch wirksamen Flächen absorbierten Wärmeenergie ermöglicht, ohne unmittelbar in Bauraumkonkurrenz zu den optisch wirksamen Flächen und zu den Strahlengängen zu treten.

Ein Spiegelobjektiv hat gegenüber einem refraktiven Objektiv den weiteren Vorteil, dass die Spiegeloptik Prinzip bedingt bei entsprechender Wahl der Beschichtung über einen weiten Wellenlängenbereich achromatisch ist, wohingegen bei einer Linsenoptik die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes, die bei allen optischen Gläsern vorhanden ist, zu weiteren kritischen Designabhängigkeiten führt. Hierbei müssten die Lichtquellen hinsichtlich der Wellenlänge des emittierten Lichts so schmalbandig und stabil gewählt werden, dass die vom Objektiv verursachten chromatischen Aberrationen über diesem Wellenlängenband hinreichend klein werden. Kleine Bandbreiten und große Laserleistungen stehen dabei jedoch in einem Konflikt und vergrößern die Komplexität der Lichtquellen. Alternativ müsste bei bereits großen Linsen noch zusätzliche Linsen zur Korrektur von chromatischen Aberrationen vorgesehen werden, was u. a. das Gewicht des Projektionsobjektivs weiter erhöhen und zu den vorstehend erläuterten Beschränkungen der Beschleunigung und Scanrate führen würde.

Das Spiegelobjektiv kann beispielsweise zwei oder drei reflektierende optisch wirksame Flächen aufweisen, d. h. als Zweispiegelobjektiv oder Dreispiegelobjektiv ausgebildet sein. Die Anzahl „zwei“ bzw. „drei“ in den nachfolgend verwendeten Begriffen „Zweispiegelobjektiv“ und „Dreispiegelobjektiv“ bezieht sich folglich auf die Anzahl der optisch wirksamen Flächen im Strahlengang. Hierbei können auch mehrere optisch wirksame Flächen auf einem optischen Element angeordnet sein. Z. B. kann ein Spiegelelement zwei reflektierende optische Flächen, d. h. zwei Spiegel, aufweisen.

Da bei beidseitig telezentrischen Zweispiegelobjektiven die Objekt- und Bildebenen in derselben Ebene liegen, kann das Projektionsobjektiv bevorzugt als außeraxiales (engl. off-axis) Objektiv ausgebildet sein, so dass der gefaltete Strahlengang am Werkstück vorbeigeführt werden kann.

Bei einem Zweispiegelobjektiv kann zur Berücksichtigung der Objektfeldkrümmung vorgesehen sein, dass die Lichtquellen des Lichtquellenarrays ebenfalls entlang des gekrümmten Objektfelds angeordnet sind, d. h. das Lichtquellenarray kann eine der Objektfeldkrümmung entsprechende Krümmung aufweisen. Beispielsweise können die Lichtquellen auf einem Teil einer um die Symmetrieachse der Optik zentrierten rotationssymmetrischen Fläche angeordnet sein. Diese rotationssymmetrische Fläche kann beispielsweise eine sphärische oder asphärische Fläche, z. B. eine parabolische Fläche, sein.

Die Vorrichtung kann dabei derart ausgebildet sein, dass das Lichtquellenarray während der lateralen Bewegung des Projektionsobjektivs dem gekrümmten Objektfeld nachführbar ist, um das Bildfeld in der Ebene der Projektionsfläche, also z. B. auf der Oberfläche des Pulverbetts, zu halten. Bei einem Zweispiegelobjektiv können bei einem Abbildungsmaßstab von m = -1 vorteilhaft baugleiche Spiegel an beiden Spiegelpositionen verwendet werden, wodurch Fertigungskosten eingespart sowie die Wartung- und Instandhaltung vereinfacht werden können. Weiter vorteilhaft sind die zeitlich gemittelte optische Leistungsdichte und somit die mittlere Wärmeleistungsdichte auf der Spiegeloberfläche auf beiden Spiegeln annähernd gleich, so dass die Kühlung der Spiegel einfach realisierbar ist. Im Gegensatz dazu sind die optische Leistungsdichte und die Wärmeleistungsdichte beim nachfolgend beschriebenen Öffner-Design auf dem kleinen Pupillenspiegel deutlich höher, im Allgemein mehr als zehnmal so hoch, was die Spiegelkühlung erschwert. Folglich ist ein Zweispiegelobjektiv bevorzugt für hohe optische Leistungsdichten geeignet.

Ein Dreispiegelobjektiv zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geeigneter Wahl der Designparameter keine Feldkrümmung hat und bis zur dritten Ordnung frei von sphärischen Aberrationen, Coma, Verzeichnung und zumindest frei von Astigmatismus niedrigster Ordnung ist. Das Dreispiegelobjektiv kann beispielsweise als beidseitig telezentrisches Objektiv mit drei optisch wirksamen reflektierenden Flächen, wobei die erste und dritte Wirkfläche auf einem Spiegelelement zusammengefasst sind, ausgebildet sein. Ein solches Design, im Folgenden auch als Öffner-Design bezeichnet, geht auf Abe Offner zurück und wird in der US 3 748 015 A beschrieben, auf die bezüglich der Erläuterung weiterer Designparameter, Eigenschaften und Vorteile dieses Designs verwiesen wird.

Ein Dreispiegelobjektiv im Öffner-Design hat den Vorteil, dass es bei geeigneter Parameterwahl bis zur dritten Ordnung aplanatisch, d. h. frei von sphärischen Aberrationen und Coma, anastigmatisch und verzeichnungsfrei ist und darüber hinaus keine Krümmung der Objekt- und Bildebene aufweist. Der ersten beiden Eigenschaften, aplanatisch und anastigmatisch, sind notwendig, um die Punktspreizfunktion der optischen Abbildung klein zu halten und damit zu vermeiden, dass sich die abzubildenden Lichtquellen, also z. B. die Lichtpunkte der Faserenden des Faserarrays, bei der Abbildung auf der Projektionsfläche ausschmieren. Die dritte Eigenschaft, die Verzeichnungsfreiheit, ist vorteilhaft, da keine Verzeichnungsvorhalte bei der lateralen Positionierung der Lichtquellen im Lichtquellenarray berücksichtigt zu werden brauchen. Die vierte Eigenschaft, die Krümmungsfreiheit der Objekt- und Bildebene, ist vorteilhaft, da objektseitig alle Lichtquellen, z. B. alle Faserenden der Lichtleitfasern, in einer Ebene angeordnet werden können, was fertigungstechnisch einfacher ist als eine Anordnung auf einer gekrümmten Fläche. Außerdem kann bildseitig mit einer planen Projektionsfläche gearbeitet werden, z. B. einem planen Pulverbett, in dem ebene Lagen geschrieben werden.

Darüber hinaus besteht der Vorteil, dass bei einem Scanvorgang nur das Projektionsobjektiv eine Linearbewegung in der X-Y-Ebene vollziehen muss. Die Bildebene, auf der der Fokus liegt, stimmt dabei ohne weitere korrigierende Maßnahmen mit der Projektionsfläche, z. B. also der Oberfläche des Pulverbetts, überein. Im Falle einer stark ausgeprägten objektseitigen Feldkrümmung müsste hingegen das Lichtquellenarray in den vertikalen Freiheitsgraden dem gekrümmten Objektfeld des bewegten Projektionsobjektivs nachgeführt werden, um die Bildebene in der Ebene der Projektionsfläche zu halten.

Allgemein eignet sich das Öffner-Design sehr gut für Abbildungen mit einem Abbildungsmaßstab von ca. m = -1 , bei denen Objekt und Bild in der gleichen Ebene liegen und bei denen die objektseitige- und bildseitige numerische Apertur klein, d. h. < ca. 0,1 bis 0,2, sind.

Durch das kompakte Design des Öffner-Designs lässt sich ein entsprechender Objektivrahmen, der auch für große Beschleunigung geeignet ist, konstruktiv einfach gestalten. Dadurch dass sich die Masse des Dreispiegelobjektivs im Öffner-Design auf das obere große Spiegelelement mit der ersten und dritten optisch wirksamen Fläche konzentriert, kann der kleine Spiegel mit der zweiten optisch wirksamen Fläche am großen Spiegel mitgeführt werden. Eine gut geführte lineare Bewegung lässt sich dadurch auch bei großen Beschleunigungen einfach realisieren.

Optional kann bei einem Dreispiegeldesign der objektseitige Strahlengang zusammen mit dem Lichtquellenarray mittels eines optisch neutralen Faltspiegels herausgeklappt werden. Dadurch kann vorteilhaft erreicht werden, dass die Projektionsfläche in allen Richtungen unter dem Projektionsobjektiv bewegt werden kann, ohne mit dem Strahlengang oder dem Lichtquellenarray zu kollidieren. Folglich können verschiedene Scanprinzipien, die z. B. eine Verschiebung nur des Projektionsobjektivs, nur des Lichtquellenarrays, des Projektionsobjektivs und des Lichtquellenarrays oder nur der Projektionsfläche vorsehen, genutzt werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Abbildern mittels einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen. Das Verfahren sieht ein Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays und ein Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs vor, d. h. die ausgesandten Lichtstrahlenwerden mittels des Projektionsobjektivs auf die Projektionsfläche projiziert.

Das Verfahren kann computerimplementiert durchgeführt werden, d. h. mindestens ein Verfahrensschritt, bevorzugt mehrere oder alle Verfahrensschritte, können unter Verwendung eines Computerprogramms mit auf einem Computer ausführbaren Instruktionen ausgeführt werden.

Da das Verfahren mittels einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen ausgeführt wird, dienen die vorstehenden Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit dem Verfahren sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung genannten Vorteile entsprechend verbunden.

Optional kann das Verfahren ein Aufschmelzen oder Sintern eines die Projektionsfläche bildenden Materials mittels der das Abbild erzeugenden Lichtstrahlen aufweisen.

Indem die Position des Abbilds auf der Projektionsfläche durch eine entsprechende Positionierung und Einstellung des Projektionsobjektivs festgelegt werden kann, kann das Aufschmelzen bzw. Sintern selektiv erfolgen, so dass Werkstücke selektiv bearbeitet oder gefertigt werden können. Mit anderen Worten kann das Verfahren als LAM-Verfahren ausgebildet sein. Alternativ zu einem Aufschmelzen oder Sintern können die projizierten Lichtstrahlen auch anderweitig zur Materialbearbeitung genutzt werden, z. B. zum Schneiden, Schweißen, Signieren, Beschriften, Gravieren etc.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann das Verfahren ein laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche aufweisen.

Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Lichtquellenarray und die Projektionsfläche ihre Position nicht ändern, d. h. sie stationär sind.

Das laterale Verschieben kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Ein kontinuierliches Verschieben entspricht einem Scanverfahren, bei dem die Projektionsfläche kontinuierlich, z. B. zeilenweise oder nach einem vorgebbaren Fahrweg, abgefahren, d. h. abgescannt wird. An festlegbaren Positionen kann ein Abbild des Lichtquellenarrays erzeugt werden, indem die Lichtquellen des Lichtquellenarrays aktiviert werden. Je nach Bedarf können die Lichtquellen während des Scanprozesses aktiviert und deaktiviert werden.

Demgegenüber wird bei einem diskontinuierlichen Verfahren zunächst eine erste Position auf der Projektionsfläche angefahren. In dieser ersten Position wird ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche erzeugt, indem Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays ausgesandt werden. Anschließend wird das Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche verschoben, um eine weitere Position auf der Projektionsfläche anzufahren. Nun wird erneut ein Abbild des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche in der weiteren Position erzeugt, indem Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays ausgesandt werden. Durch erneute laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs können weitere Positionen auf der Projektionsfläche angefahren werden.

Neben dem vorstehend beschriebenen lateralen Verschieben des

Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche können Abbilder an unterschiedlichen Positionen der Projektionsfläche auch durch die im Folgenden erläuterten Prinzipien erzeugt werden. Auch eine Kombination mehrerer Prinzipien ist möglich.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ausschließlich das Lichtquellenarray lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv und die Projektionsfläche ändern ihre Position nicht, d. h. sie sind stationär. Ein weiteres Prinzip sieht vor, dass das Lichtquellenarray gemeinsam mit dem Projektionsobjektiv lateral verschoben wird, wohingegen die Position der Projektionsfläche nicht verändert wird. Ein weiteres Prinzip sieht vor, dass ausschließlich die Projektionsfläche bzw. das Pulverbett und somit dessen Oberfläche lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv und das Lichtquellenarray ändern ihre Position nicht. Diese Prinzipien lassen sich ebenfalls kontinuierlich oder diskontinuierlich umsetzen.

Die beschriebenen Prinzipien können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können verschiedene Positionen über die Breite der Projektionsfläche durch laterale Verschiebung in Querrichtung ausschließlich des Projektionsobjektivs erreicht werden. Verschiedene Positionen der Projektionsfläche über ihre Länge können hingegen durch laterales Verschieben der Projektionsfläche oder des Projektionsobjektivs zusammen mit dem Lichtquellenarray in Längsrichtung erreicht werden. Bei einem Scanprozess kann das Abscannen einer Reihe folglich durch laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs erfolgen. Anschließend wird durch laterale Verschiebung der Projektionsfläche oder des Projektionsobjektivs zusammen mit dem Lichtquellenarray in die nächste Reihe gewechselt, innerhalb derer dann wieder eine laterale Verschiebung des Projektionsobjektivs erfolgt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. -1 , sein.

Die Steuereinheit ist ausgebildet zum Generieren und Ausgeben von Steuersignalen an die Vorrichtung. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche.

Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.

Die Steuereinheit kann zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.

Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinheit. Mit der Steuereinheit sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.

Die Steuereinheit kann hardware- und/oder softwaremäßig realisiert sein und physisch ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Die Steuereinheit generiert die Steuersignale basierend auf Anweisungen oder einem in der Steuereinheit programmierten Code entsprechend einer oder mehrerer Routinen. Zum Steuern der Vorrichtung steht die Steuereinheit mit der Vorrichtung bzw. deren Bauteilen, z. B. dem Lichtquellenarray, in einer signaltechnischen Wirkverbindung, so dass die generierten Steuersignale an die Vorrichtung bzw. deren Bauteile übertragen und von diesen empfangen werden können.

Die Steuereinheit kann mit einer Verfahreinheit, die zur lateralen Verschiebung des Projektionsobjektivs ausgebildet ist, Zusammenwirken oder als Teil einer solchen Verfahreinheit ausgebildet sein. Eine solche Verfahreinheit kann u. a. Antriebe und Führungen aufweisen, die mittels der Steuereinheit angesteuert werden können.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Computerprogramm zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. - 1 , sein.

Das Computerprogramm weist Instruktionen auf, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, Steuersignale zu generieren und an die Vorrichtung auszugeben. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche. Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.

Das Computerprogramm kann zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden und beispielsweise auf der vorstehend beschriebenen Steuereinheit ausgeführt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.

Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung der erfindungsgemäßen Steuereinheit. Mit der Steuereinheit sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.

Unter einem Computerprogramm kann ein auf einem geeigneten Medium speicherbarer und/oder über ein geeignetes Medium abrufbarer Programmcode verstanden werden. Zum Speichern des Programmcodes kann jedes zum Speichern von Software geeignete Medium, beispielsweise ein in einem Steuergerät verbauter nichtflüchtiger Speicher, eine DVD, ein USB-Stick, eine Flashcard oder dergleichen, Verwendung finden. Das Abrufen des Programmcodes kann beispielsweise über das Internet oder ein Intranet erfolgen oder über ein anderes geeignetes drahtloses oder kabelgebundenes Netzwerk.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium zum Steuern einer Vorrichtung zum Erzeugen von Abbildern eines Lichtquellenarrays auf einer Projektionsfläche. Die Vorrichtung weist ein Lichtquellenarray, eine Projektionsfläche und mindestens ein in einem Strahlengang zwischen dem Lichtquellenarray und der Projektionsfläche angeordnetes Projektionsobjektiv mit einem in mindestens einer Raumrichtung von +1 abweichenden Abbildungsmaßstab m auf, wobei das mindestens eine Projektionsobjektiv lateral bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder bezüglich der Projektionsfläche verschiebbar ist. Bevorzugt kann der Abbildungsmaßstab m in mindestens einer Raumrichtung negativ, z. B. -1 , sein.

Das nichtflüchtige computerlesbare Speichermedium weist Instruktionen auf, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, diesen dazu veranlassen, Steuersignale zu generieren und an die Vorrichtung auszugeben. Die Steuersignale bewirken das Ausführen eines oder mehrerer, bevorzugt aller, der folgenden Schritte: Aussenden von Lichtstrahlen mittels des Lichtquellenarrays, Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs und laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche. Die Steuersignale können ein Aussenden und Projizieren der Lichtstrahlen bevorzugt derart bewirken, dass ein die Projektionsfläche bildendes Material mittels der projizierten Lichtstrahlen aufgeschmolzen oder gesintert werden kann.

Die auf dem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium gespeicherten Instruktionen können zur Steuerung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen genutzt werden und beispielsweise auf der vorstehend beschriebenen Steuereinheit ausgeführt werden. Die Steuerung kann derart erfolgen, dass eine solche Vorrichtung eines der vorstehend beschriebenen Verfahren ausführt.

Daher dienen die obigen Ausführungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens auch zur Beschreibung des erfindungsgemäßen nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermediums. Mit dem nichtflüchtigen computerlesbaren Speichermedium sind die vorstehend mit Bezug auf die Vorrichtung und das Verfahren genannten Vorteile entsprechend verbunden.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist. Richtungsterminologie, wie beispielsweise „oben“, „unten“, „rechts“, „links“ etc. wird mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figuren verwendet. Richtungsangaben, wie z. B. „z- Richtung“, „x-Richtung“ etc. beziehen sich auf die in den Figuren dargestellten Koordinatensysteme. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend.

Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. Es zeigen:

Fig. 1a schematische Darstellung einer beispielhaften

Vorrichtung mit Projektionsobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung);

Fig. 1 b schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y- Richtung);

Fig. 2a schematische Darstellung einer beispielhaften

Vorrichtung mit refraktivem Projektionsobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung);

Fig. 2b schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 2a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y- Richtung);

Fig. 2c schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 2a und 2b (Ansicht in x-Richtung);

Fig. 3a schematische Darstellung einer beispielhaften

Vorrichtung mit Zweispiegelobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung);

Fig. 3b schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 3a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y- Richtung); Fig. 3c schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 3a und 3b (Ansicht in x-Richtung);

Fig. 4 perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 3;

Fig. 5 Darstellung zur eingangsseitigen Feldkrümmung;

Fig. 6 Darstellung zur Projektion des Lichtquellenarrays in die eingangsseitige Objektschale;

Fig. 7a, b Darstellung zur lateralen Verschiebung des

Projektionsobjektivs mit Nachführung des

Lichtquellenarrays entlang der objektseitigen

Feldkrümmung;

Fig. 8a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Dreispiegelobjektiv in Ausgangsposition (Ansicht in y-Richtung);

Fig. 8b schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 8a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv (Ansicht in y- Richtung);

Fig. 8c schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 8a und 8b (Ansicht in x-Richtung);

Fig. 9 perspektivische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 8;

Fig. 10a schematische Darstellung einer beispielhaften Vorrichtung mit Dreispiegelobjektiv und Faltspiegel in Vorderansicht;

Fig. 10b schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 10a in Seitenansicht;

Fig. 10c schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 10a, b in Draufsicht; Fig. 10d schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 10a-c in perspektivischer Darstellung;

Fig. 11a - d schematische Darstellungen verschiedener Prinzipien zur Änderung der Position des Abbilds auf der Projektionsfläche;

Fig. 12a-c schematische Darstellungen zur Anordnung von

Projektionsobjektiven über der Projektionsfläche; und

Fig. 13 ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 1 zum Erzeugen von Abbildern 2 eines Lichtquellenarrays 3 auf einer Projektionsfläche 4 in einer Ausgangsposition und eine zugehörige Steuereinheit 9 in einer Seitenansicht, wobei die Blickrichtung der y-Richtung entspricht.

Die Vorrichtung 1 weist ein Lichtquellenarray 3 auf, das als Laserlichtquellenarray mit mehreren Laserlichtquellen ausgebildet ist. Hierbei kann die Erzeugung des Laserlichts entweder direkt im Lichtquellenarray 3 erfolgen oder das Lichtquellenarray 3 kann mit einer direkten Laserlichtquelle über Lichtleitfasern (nicht dargestellt) verbunden sein, so dass das Lichtquellenarray 3 durch die Enden der Lichtleitfasern gebildet wird. Das Lichtquellenarray 3 ist stationär, d. h. ortsunveränderlich innerhalb der Vorrichtung 1 angeordnet.

Das Lichtquellenarray 3 ist signalübertragend mit einer Steuereinheit 9 verbunden, die dazu ausgebildet ist, ein Steuersignal 10a zu erzeugen und an das Lichtquellenarray 3 auszugeben. Das Steuersignal 10a bewirkt ein Aussenden von Lichtstrahlen 8 durch das Lichtquellenarray 3, wobei je nach Bedarf eine, mehrere oder alle Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 zum Aussenden von Lichtstrahlen 8 veranlasst werden können.

Die Vorrichtung 1 weist außerdem eine Projektionsfläche 4 auf, auf der ein Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 erzeugt wird. Im Ausführungsbeispiel ist die Projektionsfläche 4 als Oberfläche eines Pulverbetts 7 ausgebildet. Das Pulverbett 7 kann ein Pulvermaterial, z. B. ein Metallpulver, aufweisen, das bei Lichtbestrahlung durch Lichtstrahlen 8 des Lichtquellenarrays 3 geschmolzen oder gesintert werden kann. Durch Bewegung der Lichtstrahlen 8 über die Projektionsfläche 4 bzw. die Oberfläche des Pulverbetts 7 in x- Richtung (Scanrichtung) können, wie eingangs erläutert, Materiallagen gebildet und Werkstücke additiv gefertigt werden. Das Pulverbett 7 kann in z- Richtung bewegbar sein, um eine korrekte Positionierung der Projektionsfläche 4 nach Schreiben einer Lage und Aufbringen einer neuen Pulverschicht zu ermöglichen. Eine Positionsänderung des Pulverbetts 7 in x-Richtung ist hingegen nicht vorgesehen.

Im Strahlengang 5 zwischen dem Lichtquellenarray 3 und der Projektionsfläche 4 ist ein Projektionsobjektiv 6 mit einem von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m angeordnet. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Abbildungsmaßstab m = -1 , wobei die Erfindung nicht auf einen konkreten Abbildungsmaßstab m beschränkt ist. Das Projektionsobjektiv 6 ist beidseitig telezentrisch ausgebildet und projiziert die von dem Lichtquellenarray 3 erzeugten Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4.

Das Projektionsobjektiv 6 ist lateral bezüglich des Lichtquellenarrays 3 und bezüglich der Projektionsfläche 4 in x-Richtung verschiebbar. Optional kann auch eine Verschiebbarkeit in y-Richtung vorgesehen sein. Mittels dieser lateralen Verschiebung 11 kann die Position des Abbilds 2 auf der Projektionsfläche 4 festgelegt werden bzw. kann die Projektionsfläche 4 abgescannt werden. Da das Lichtquellenarray 3 mehrerer Lichtquellen aufweist, kann der Scanvorgang zügig erfolgen, so dass kurze Fertigungszeiten bei der additiven Fertigung resultieren.

Zur Ausführung der lateralen Verschiebung 11 , welche in Figur 1 b mit einem Pfeil dargestellt ist, wird ein Steuersignal 10b von der Steuereinheit 9 generiert und an das Projektionsobjektiv 6 ausgegeben. Die Steuereinheit 9 und das Projektionsobjektiv 6 sind hierzu ebenfalls signalübertragend verbunden.

Fig. 1 b zeigt die Vorrichtung 1 der Figur 1a mit lateral verschobenem Projektionsobjektiv 6, wobei das Projektionsobjektiv 6 um die Strecke Axobjektiv in x-Richtung verschoben wurde. Der Abbildungsmaßstab m = -1 bewirkt eine entsprechende Verschiebung AXBHCI des Abbilds 2 auf der Projektionsfläche 4 um die doppelte Strecke Axobjektiv in x-Richtung. Für einen beliebigen Abbildungsmaßstab m gilt:

AXBild — (1 -IT))* Axobjektiv

Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit ist in den folgenden Figuren die Steuereinheit 9 nicht dargestellt. Gleichwohl kann eine Steuereinheit 9, wie zu Fig. 1 beschrieben, vorhanden sein.

In Fig. 2a ist eine beispielhafte Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht gezeigt, bei der das Projektionsobjektiv 6 als refraktives Objektiv ausgebildet ist. Die Blickrichtung entspricht der y- Richtung. Die Scanrichtung, also die Richtung der lateralen Bewegung 11 des Projektionsobjektivs 6, entspricht der x-Richtung.

Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches refraktives Objektiv mit zwei identischen Linsen 12a, 12b mit positiver Brennweite ausgebildet. Zwischen den Linsen 12a, 12b ist eine Aperturblende 13 zur Begrenzung des Strahlengangs 5 angeordnet. Fig. 2a zeigt das Projektionsobjektiv 6 in einer Ausgangsposition (Mittenposition). Fig. 2b zeigt das Projektionsobjektiv 6 nach lateraler Verschiebung 11 , d. h. in ausgelenkter Position. Wie in Fig. 1 b ist auch hier zu erkennen, dass bei dem gewählten Abbildungsmaßstab m des Projektionsobjektivs 6 von m = -1 das Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 ebenfalls in x- Richtung, aber im Vergleich zum Projektionsobjektiv 6 um den doppelten Streckenbetrag verschoben ist.

Fig. 2c zeigt die Vorrichtung 1 mit Blick in Scanrichtung, also in x-Richtung. Die Position des Abbilds 2 bleibt in dieser Ansicht bei lateraler Verschiebung 11 unverändert.

Optional kann das in Fig. 2 gezeigte refraktive Objektiv auch auf beidseitig telezentrische Mehrlinsensysteme erweitert sein, bei denen zusätzliche Linsen für die Korrektur von Feldkrümmung und Bildfehlern, insbesondere auch von feldlagenabhängigen Bildfehlern, vorhanden sind. Bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.

In Fig. 3a ist eine beispielhafte Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht gezeigt, bei der das Projektionsobjektiv 6 als Zweispiegelobjektiv ausgebildet ist. Die Blickrichtung entspricht der y- Richtung. Die Scanrichtung, also die Richtung der lateralen Bewegung 11 des Projektionsobjektivs 6, entspricht der x-Richtung. Es handelt sich im Prinzip um die Ausführung des in Fig. 2 gezeigten doppelt telezentrischen refraktiven Objektivs als Zweispiegelobjektiv. Die Darstellungen in Fig. 3 sind folglich äquivalent zu denen in Fig. 2.

Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches Spiegelobjektiv mit zwei identischen Spiegeln 14a, 14b, die beide eine positive Brennweite, also eine sammelnde Wirkung, besitzen, ausgebildet. Die von dem Lichtquellenarray 3 ausgesandten Lichtstrahlen 8 werden zunächst am ersten Spiegel 14a zum zweiten Spiegel 14b reflektiert. Nach erneuter Reflektion am zweiten Spiegel 14b werden die Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4 projiziert und erzeugen dort das Abbild 2.

Fig. 3a zeigt das Projektionsobjektiv 6 in einer Ausgangsposition (Mittenposition). Fig. 3b zeigt das Projektionsobjektiv 6 nach lateraler Verschiebung 11 , d. h. in ausgelenkter Position. Wie in Fig. 1 b und 2b ist auch hier zu erkennen, dass bei dem gewählten Abbildungsmaßstab m des Projektionsobjektivs 6 von m = -1 das Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 ebenfalls in x-Richtung, aber im Vergleich zum Projektionsobjektiv 6 um den doppelten Streckenbetrag verschoben ist.

Fig. 3c zeigt die Vorrichtung 1 mit Blick in Scanrichtung, also in x-Richtung. Die Position des Abbilds 2 bleibt in dieser Ansicht bei lateraler Verschiebung 11 unverändert.

Da bei beidseitig telezentrischen Spiegelobjektiven mit zwei Spiegeln 14a, 14b die Objekt- und Bildebenen, d. h. das Lichtquellenarray 3 und die Projektionsfläche 4, in derselben Ebene liegen, ist das Projektionsobjektiv 6 wie in Fig. 3c ersichtlich als Off-Axis-Objektiv ausgeführt, sodass der gefaltete Strahlengang 5 am Pulverbett 7 vorbeigeführt wird. In Fig. 4 ist zur Verdeutlichung eine perspektivische Darstellung der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 1 dargestellt.

Bezüglich der übrigen Komponenten der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 3 und 4 wird auf die Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen.

Das Zweispiegelobjektiv ist mit einer relativ großen eingangsseitigen Feldkrümmung, also eine Krümmung des Objektfelds 15, wie in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt, verbunden. Ursache hierfür ist das ursprünglich in der optischen Abbildung entstehende gekrümmte Bildfeld, da aufgrund der Verwendung zweier Spiegel mit gleichen Radien die Petzval-Summe der inversen Spiegelradien nicht Null ist. Zur Vermeidung dieses gekrümmten Bildfelds wird das Objektfeld 15 gekrümmt. Mit anderen Worten wird die sich aus dem Objektivdesign ergebende ausgangsseitige Bildfeldkrümmung auf die eingangsseitige Objektfeldkrümmung verlagert.

Um diesen Effekt zu berücksichtigen, kann das Lichtquellenarray 3 vorzugsweise entlang des gekrümmten Objektfelds 15 angeordnet werden. Während der lateralen Verschiebung 11 des Projektionsobjektives 6 kann das Lichtquellenarray 3, wie in Fig. 7a, b dargestellt, dem gekrümmten Objektfeld 15 nachgeführt werden, um das Bildfeld, d. h. die bildseitigen Foki, in der Ebene der Projektionsfläche 4 zu halten. Die Nachführung wird durch den Pfeil 16 repräsentiert.

In Fig. 8a ist eine beispielhafte Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung in einer Seitenansicht gezeigt, bei der das Projektionsobjektiv 6 als Dreispiegelobjektiv ausgebildet ist. Die Blickrichtung entspricht der y- Richtung. Die Scanrichtung, also die Richtung der lateralen Bewegung 11 des Projektionsobjektivs 6, entspricht der x-Richtung.

Das Projektionsobjektiv 6 ist als beidseitig telezentrisches Spiegelobjektiv mit drei im Wesentlichen sphärischen Spiegeln 14a, 14b, 14c ausgebildet. Der erste Spiegel 14a und der dritte Spiegel 14c sind auf einem gemeinsamen Spiegelelement angeordnet und weisen eine sammelnde Wirkung auf. Der zweite Spiegel 14b weist hingegen eine zerstreuende Wirkung auf. Die Mittelpunkte der Krümmungsradien aller Spiegel bzw. Spiegelflächen fallen zusammen und liegen in der gemeinsamen Objekt- und Bildebene, wobei der Krümmungsradius des zweiten kleinen Spiegels 14b halb so groß ist wie die Krümmungsradien des ersten und dritten Spiegels 14a, 14c.

Die vom Lichtquellenarray 3 ausgesandten Lichtstrahlen 8 werden zunächst am ersten Spiegel 14a derart reflektiert, dass sie auf den zweiten Spiegel 14b treffen und von diesem zum dritten Spiegel 14c reflektiert werden. Nach Reflektion am dritten Spiegel 14c treffen die Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 7 und erzeugen das Abbild 2.

Fig. 8a zeigt das Projektionsobjektiv 6 in einer Ausgangsposition (Mittenposition). Fig. 8b zeigt das Projektionsobjektiv 6 nach lateraler Verschiebung 11 , d. h. in ausgelenkter Position. Wie in Fig. 1 b und 2b ist auch hier zu erkennen, dass bei dem gewählten Abbildungsmaßstab m des Projektionsobjektivs 6 von m = -1 das Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 ebenfalls in x-Richtung, aber im Vergleich zum Projektionsobjektiv 6 um den doppelten Streckenbetrag verschoben ist. Der Abbildungsmaßstab m = -1 ergibt sich in Draufsicht sowohl für x- als auch die y-Richtung. Wird der Abbildungsmaßstab m entlang des Lichtpfads angegeben, ergibt sich in y-Richtung ein Abbildungsmaßstab m = +1 und in x-Richtung ein Abbildungsmaßstab m = -1 , d. h. das Abbild 2 ist ein sog. Flip Image.

Fig. 8c zeigt die Vorrichtung 1 mit Blick in Scanrichtung, also in x-Richtung. Die Position des Abbilds 2 bleibt in dieser Ansicht bei lateraler Verschiebung 11 unverändert.

In Fig. 9 ist zur Verdeutlichung eine perspektivische Darstellung der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung 1 dargestellt, wobei zur besseren Sichtbarkeit des Strahlengangs 5 die Spiegelfläche mit den Spiegeln 14a, 14c nur zur Hälfte dargestellt ist.

Das vorgeschlagene Dreispiegeldesign zeichnet sich dadurch aus, dass es bei geeigneter Wahl der Designparameter keine Feldkrümmung aufweist, da die Petzval-Summe im Gegensatz zum Zweispiegelobjektiv durch den zweiten Spiegel 14b zu Null gebracht wird. Zudem ist das Dreispiegelobjektiv bis zur dritten Ordnung frei von sphärischen Aberrationen, Coma, Astigmatismus und Verzeichnung.

Fig. 10a bis 10d zeigen ein Designbeispiel einer Vorrichtung 1 mit einem Dreispiegelobjektiv und einem Faltspiegel 17 in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht sowie in perspektivischer Darstellung. Der objektseitige Strahlengang 5 wurde mit dem Lichtquellenarray 3 mittels eines optisch neutralen Faltspiegels 17 nach vorn herausgeklappt, damit das Pulverbett 7, von dem in den Fig. 10a bis 10d zur verbesserten Übersichtlichkeit nur die der Projektionsfläche 4 entsprechende Oberfläche dargestellt ist, in allen Richtungen unter dem Projektionsobjektiv 6 bewegt werden kann, ohne mit dem Strahlengang 5 oder dem Lichtquellenarray 3 zu kollidieren. Dadurch können alle in Fig. 11 skizzierten Scanprinzipien realisiert werden.

Die Fig. 11a bis 11d zeigen verschiedene Prinzipien zur Änderung der Position des Abbilds 2 auf der Projektionsfläche 4, also Möglichkeiten, wie die Position eines Abbilds 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 variiert werden kann, in schematischer Darstellung anhand eines Dreispiegelobjektivs. Jeweils links ist eine Ausgangsposition der Vorrichtung 1 dargestellt, in der das Abbild 2 in einer ersten Position abgebildet wird. Jeweils rechts daneben ist eine weitere Position der Vorrichtung 1 dargestellt, in der ein in eine zweite Position verschobenes Abbild 2 erzeugt wird. Die Prinzipien können jeweils kontinuierlich oder diskontinuierlich realisiert werden.

Das in Fig. 11a dargestellte Prinzip entspricht dem vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläuterten Prinzip, bei dem ausschließlich das Projektionsobjektiv 6 lateral verschoben wird. Das Lichtquellenarray 3 und die Projektionsfläche 4 ändern ihre Position nicht, d. h. sie sind stationär.

Fig. 11 b zeigt ein Prinzip, bei dem ausschließlich das Lichtquellenarray 3 lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv 6 und die Projektionsfläche 4 ändern ihre Position nicht, d. h. sie sind stationär. Hierbei sind die Verfahrwege, die für dieselbe Position des verschobenen Abbilds 2 nötig sind, doppelt so groß wie bei dem in Fig. 11a gezeigten Prinzip. Folglich ist ein doppelt so großes Feldakzeptanzfenster des Projektionsobjektives 6 in Bewegungs- bzw. Scanrichtung erforderlich, weshalb die Spiegelfläche mit den Spiegeln 14a, 14c in Bewegungs- bzw. Scanrichtung deutlich größer ist.

Fig. 11c zeigt ein Prinzip, bei dem das Lichtquellenarray 6 gemeinsam mit dem Projektionsobjektiv 6 lateral verschoben wird, wohingegen die Position der Projektionsfläche 7 nicht verändert wird. In diesem Fall kann die Abmessung der Spiegelfläche mit den Spiegeln 14a, 14c in Bewegungs- bzw. Scanrichtung deutlich kleiner gewählt werden als bei den in Fig. 11a und 11 b gezeigten Prinzipien, da diese nur von der Feldgröße, der numerischen Apertur und dem Abstand der Spiegel 14a, b, c zum Lichtquellenarray 3 abhängig ist, nicht jedoch von der Länge der Projektionsfläche 4 in Bewegungs- bzw. Scanrichtung.

Fig. 11d zeigt ein Prinzip, bei dem ausschließlich das Pulverbett 7 zusammen mit der Projektionsfläche 4 lateral verschoben wird. Das Projektionsobjektiv 6 und das Lichtquellenarray 3 ändern ihre Position nicht. Auch hier kann die Abmessung der Spiegelfläche mit den Spiegeln 14a, 14c in Bewegungs- bzw. Scanrichtung deutlich kleiner gewählt werden als bei den in Fig. 11 a und 11 b gezeigten Prinzipien.

Alle vier in den Fig. 11a bis 11d gezeigten Prinzipien lassen sich mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen 1 ausführen. Bevorzugt ist hierbei das Prinzip gemäß Fig. 11a, das weiter bevorzugt kontinuierlich, also als Scanprozess ausgeführt wird, da hierbei die Vorteile der beschriebenen Vorrichtungen 1 besonders zum Tragen kommen. Mit anderen Worten lässt sich neben aus bekannten Prinzipien ein Prinzip verwirklichen, bei dem das Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 über die Projektionsfläche 4 bzw. die Oberfläche des Pulverbetts 7 bewegt wird, ohne dass das Lichtquellenarray 3 selbst oder das Pulverbett 7 bewegt werden müssen. Dies ermöglicht einen sehr variablen Einsatz der vorgeschlagenen Vorrichtung 1 .

Fig. 12a bis 12c zeigen drei Vorrichtungen 1 mit Projektionsobjektiven 6 und der zugehörigen Projektionsfläche 4 mit einem Projektionsobjektiv 6 (Fig. 12a), vier Projektionsobjektiven 6 (Fig. 12b) und acht Projektionsobjektiven 6 (Fig. 12c). Im Falle der Scanprinzipien gemäß den Fig. 11c und 11d, bei denen das Lichtquellenarray 3 und das Projektionsobjektiv 6 zueinander nicht verschoben werden, sondern beide zusammen relativ zur Projektionsfläche 4 verschoben werden, können mehrere Projektionsobjektive 6, wie in den Fig. 12b und 12c gezeigt, derart angeordnet werden, dass die durch die gestrichelten Linien angedeutete Breite der Projektionsfläche 4 durch mehrere Projektionsobjektive 6 abgedeckt wird. Dies kann vorteilhaft sein, um die Objektivgröße bei gegebener Größe der Projektionsfläche 4 bzw. gegebener Oberfläche des Pulverbetts 4 kleiner zu wählen und damit die Fertigungskosten reduzieren zu können. Hierbei können wie in Fig. 12b dargestellt, Projektionsobjektive 6 seitlich zueinander versetzt angeordnet werden. Alternativ können auch, wie in Fig. 12c gezeigt, Gruppen von Projektionsobjektiven 6, z. B. aus zwei oder vier Projektionsobjektiven 6, gebildet werden, wobei die Projektionsobjektive 6 einer Gruppe und/oder der Gruppen untereinander versetzt zueinander angeordnet sind.

Anders herum können bei gegebener Objektivgröße größere Projektionsflächen 4 gewählt werden, indem mehrere Projektionsobjektive 6 nebeneinander oder versetzt zueinander angeordnet werden.

Fig. 13 zeigt ein Ablaufschema eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Erzeugen von Abbildern 2 eines Lichtquellenarrays 3 auf einer Projektionsfläche 4. Das Verfahren 100 kann beispielsweise mittels einer der unter Bezugnahme auf die Fig. 2, 3 oder 8 beschriebenen Vorrichtungen 1 ausgeführt werden.

Nach dem Start des Verfahrens 100 werden in einem ersten Verfahrensschritt S1 Lichtstrahlen 8 mittels des Lichtquellenarrays 3 ausgesandt. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um Laserstrahlen. Je nach Bedarf können dabei einzelne Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 aktiviert oder deaktiviert werden.

Im folgenden Verfahrensschritt S2 wird ein Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 mittels der ausgesandten Lichtstrahlen 8 und des Projektionsobjektivs 6 erzeugt. Das Projektionsobjektiv 6 weist einen von +1 verschiedenen Abbildungsmaßstab m auf und kann als refraktives Objektiv, Zweispiegelobjektiv oder Dreispiegelobjektiv ausgebildet sein. Diesbezüglich wird auf die vorstehenden Erläuterungen zu den verschiedenen Projektionsobjektiven 6 verwiesen. Indem die ausgesandten Lichtstrahlen 8 auf die Projektionsfläche 4 projiziert werden, wird ein erstes Abbild 2 des Lichtquellenarrays 3 auf der Projektionsfläche 4 erzeugt.

Im Bereich des Abbilds 2 wird im Verfahrensschritt S3 das die Projektionsfläche 4 bildende Material, z. B. ein in Form eines Pulverbetts 7 angeordnetes Metallpulver, mittels der projizierten Lichtstrahlen 8 aufgeschmolzen oder gesintert.

Im Verfahrensschritt S4 wird das Projektionsobjektiv 6 lateral bezüglich des Lichtquellenarray 3 und/oder der Projektionsfläche 4 verschoben. Dies entspricht dem in Fig. 11a gezeigten Prinzip. Anschließend werden die Verfahrensschritte S1 bis S4 wiederholt, bis alle gewünschten Abbilder 2 erzeugt worden sind.

Das Verfahren 100 kann kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeführt werden, wobei eine kontinuierliche Ausführung, bei der die Projektionsfläche 4 abgescannt wird, bevorzugt ist. Bei Erreichen von Positionen der Projektionsfläche 4, an denen ein Abbild 2 erzeugt und Material aufgeschmolzen oder gesintert werden soll, werden die Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 aktiviert. Zwischen Positionen, an denen kein Material aufgeschmolzen oder gesintert werden soll, werden die Lichtquellen des Lichtquellenarrays 3 wieder deaktiviert. Folglich können die Verfahrensschritte S1 bis S4 teilweise oder ganz zeitlich überlappend, also auch gleichzeitig, ausgeführt werden.

Beispielsweise kann durch Wiederholung der Verfahrensschritte S1 bis S4 die Projektionsfläche 4 abgescannt werden und es kann ein Werkstück lagenweise mittels eines LAM-Verfahrens additiv gefertigt werden. Zwischen dem Schreiben der einzelnen Lagen kann neues Pulvermaterial zugeführt werden.

Alternativ zu einem Aufschmelzen oder Sintern können die projizierten Lichtstrahlen 8 zu einer anderweitigen Materialbearbeitung genutzt werden, z. B. indem das die Projektionsfläche 4 bildende Material im Bereich des Abbilds 2 geschnitten, geschweißt, signiert, beschriftet, graviert etc. wird.

Bezugszeichenliste

Vorrichtung

Abbild

Lichtquellenarray

Projektionsfläche

Strahlengang

Projektionsobjektiv

Pulverbett

Lichtstrahlen

Steuereinheit

10a, 10b Steuersignal

11 laterale Verschiebung

12a, 12b Linse

13 Aperturblende

14a, 14b, 14c Spiegel

15 Objektfeld

16 Nachführung des Lichtquellenarrays

17 Faltspiegel

100 Verfahren

Abbildungsmaßstab

S1 Aussenden von Lichtstrahlen mittels des

Lichtquellenarrays

52 Erzeugen eines Abbilds des Lichtquellenarrays auf der Projektionsfläche mittels der ausgesandten Lichtstrahlen und des Projektionsobjektivs

53 Aufschmelzen oder Sintern eines die Projektionsfläche bildenden Materials mittels der das Abbild erzeugenden Lichtstrahlen

54 laterales Verschieben des Projektionsobjektivs bezüglich des Lichtquellenarrays und/oder der Projektionsfläche

Axobjektiv Verschiebung des Projektionsobjektivs in x-Richtung XBild Verschiebung des Abbilds in x-Richtung