Die Erfindung betrifft eine Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils und ein Computerprogrammprodukt. Spiegelvorrichtungen für Fertigungssysteme zur laserstrahlbasierten Fertigung sind grundsätzlich bekannt. Für laserstrahlbasierte Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel der laseradditiven Fertigung, wird der verwendete Laserstrahl durch eine Zwei-Achsen-Ablenkeinheit, beispielsweise ein Galvanometerscanner, in einer Arbeitsebene bewegt, positioniert und zum Aufschmelzen eines Pulverwerkstoffes genutzt. Die Energieverteilung innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls wird durch eine Optik definiert und ist in der Regel nicht steuerbar. Beispielsweise weisen solche Laserstrahlen eine gaußförmige Energieverteilung innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls auf. Zur Ausbildung eines Schmelzbads absorbiert der Pulverwerkstoff die durch den Laser bereitgestellte Energie. In Abhängigkeit der Absorptionsfähigkeit des Werkstoffes wird hierfür ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum benötigt. Ferner treten durch den punktuellen Energieeintrag und dem damit verbundenen steilen Temperaturgradienten zum Teil Spannungsrisse innerhalb des erstarrten Materials bzw. Werkstoffs auf, wodurch die Materialauswahl für die laserstrahlbasierte Fertigung eingeschränkt ist.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aufgrund der Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls. Die gaußförmige Energieverteilung resultiert darin, dass bei bestimmten Werkstoffen einzelne Legierungsbestandteile verdampfen und sich Poren in dem erstarrten Material ausbilden, da die Intensität im Zentrum des Laserstrahls zu hoch ist und ein Tiefschweißen auftritt.

In vielen Verfahren werden die Brennweiten zur Fokussierung des Laserstrahls variiert, um mit dem daraus resultierenden größeren Laserstrahldurchmesser in der Arbeitsebene, mehr Material aufschmelzen zu können. Hieraus resultiert jedoch die Notwendigkeit für eine Erhöhung der Laserleistung. Ferner führt dies durch den größeren Strahldurchmesser zu einer geringeren Auflösung des Verfahrens. Eine Erhöhung der Laserleistung und der Vorschubgeschwindigkeit führt in der Regel nicht zu einem verbesserten Verfahren, da aufgrund der Absorptionsfähigkeit des Materials keine beliebige Erhöhung der

Vorschubgeschwindigkeit möglich ist und die höhere Laserleistung zu dem Verdampfen der Legierungsbestandteile führen kann.

Im Stand der Technik sind unterschiedliche Systeme zur gleichmäßigeren Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls bekannt, mit denen Intensitätsspitzen vermieden werden können. Beispielsweise kann mittels optischen Elementen, z.B. diffraktiven optischen Elementen, die Intensitätsverteilung unter anderem ringförmig ausgebildet werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Aufbaurate, also das aufgeschmolzene Materialvolumen pro Zeiteinheit, durch eine gleichmäßige Energieverteilung gesteigert werden kann. Diese Steigerung der Aufbaurate ist jedoch gering. Darüber hinaus geht die Änderung der Intensitätsverteilung mit einem größeren Durchmesser des Laserstrahls einher, wodurch sich die Auflösung des Prozesses verringert.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Aufbaurate besteht in der Verwendung mehrerer Lasereinheiten, die zeitgleich das Pulver belichten. Dies führt zu höheren Anlagenkosten, da für jede eingesetzte Lasereinheit optische Elemente zur Strahlpositionierung erforderlich sind. Nachteilig hieran ist ferner, dass die Grenzbereiche zwischen den Arbeitsbereichen der einzelnen Laserscanner präzise zu justieren sind.

Die bekannten Systeme und Verfahren zeichnen sich durch eine geringe Aufbaurate einerseits und eine hohe Anlagen- bzw. Verfahrenskomplexität andererseits aus.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils und ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die eine höhere Aufbaurate und/oder eine höhere Bauteilqualität ermöglicht. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zur Steigerung der Aufbaurate eines laserstrahlbasierten Fertigungsverfahrens bereitzustellen, die in ein bestehendes Fertigungssystem nachrüstbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Spiegelvorrichtung, einem Verfahren und einem Computerprogrammprodukt nach den Merkmalen der unabhängigen Patentenansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den

Patentansprüchen und der Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.

Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe gelöst mit der Spiegelvorrichtung für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend ein bewegbar angeordnetes erstes Spiegelelement zum Umlenken eines Laserstrahls, der mit einer Vorschubbewegung in einer Arbeitsebene bewegbar ist, und einen mit dem ersten Spiegelelement gekoppelten Aktuator, wobei der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine erste Überlagerungsbewegung ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung überlagert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit einer

Überlagerungsbewegung eine schnellere Strahlpositionierung und ein gleichmäßigerer Energieeintrag in den Werkstoff bzw. in das Werkstück ermöglicht wird. Insbesondere bei dem im Folgenden noch näher erläuterten hohen Frequenzen der Überlagerungsbewegung ergibt sich am Werkstück bzw. am Werkstoff eine quasi stationäre und frei programmierbare Intensitätsverteilung. Durch die mit hoher Wiederholrate durchgeführte Überlagerungsbewegung des Laserstrahls, beispielsweise entlang einer Vorschubrichtung der Vorschubbewegung des Laserstrahls, kommt es zu einer Mehrfachbelichtung, die in einer verdampfungsfreien Durchwärmung des Materials resultiert. Infolgedessen wird insbesondere ein Tiefschweißen verhindert und die Bildung von Spratzern und Schmauch wird vermieden oder reduziert.

Es hat sich gezeigt, dass durch die Vorschubbewegung und die diese überlagernde Überlagerungsbewegung eine größere Menge an Werkstoff in gleicher Zeit aufgeschmolzen werden kann. Der Werkstoff bzw. das Werkstück werden durchgewärmt und zwischen durchgewärmtem und aufgeschmolzenem Material verringert sich die Temperaturdifferenz. Ferner wird die belichtete Fläche größer, sodass eine höhere Laserenergie besser auf dem Bauteil verteilt wird, ohne dass der unerwünschte Tiefschweißeffekt auftritt. Dies resultiert in einer wesentlichen Erhöhung der Aufbaurate und infolgedessen auch der Produktivität der laserstrahlbasierten Fertigung.

Darüber hinaus kann durch gezieltes Nachwärmen des aufgeschmolzenen Materials mittels der ersten Überlagerungsbewegung der Temperaturgradient während des Abkühlvorgangs reduziert und somit die Gefahr von Spannungsrissen im Material verringert werden. Dies ermöglicht die Verarbeitung weiterer Werkstoffe und schafft dadurch neue Anwendungsfälle. Bei einer kreisförmigen Überlagerungsbewegung ist es beispielsweise möglich, die gaußförmige Energieverteilung innerhalb des Laserstrahls gleichmäßig auf eine größere Fläche oder auch einen Ring zu verteilen.

Die Spiegelvorrichtung ist für ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung ausgebildet. Die laserstrahlbasierte Fertigung kann beispielsweise ein Herstellen und/oder ein Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Bauteils umfassen oder sein. Das Fertigungssystem kann beispielsweise ein System zum selektiven Laserschmelzen sein. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem ein System zum Laserstrahlschneiden, -schweißen und -abtragen sein. Die Spiegelvorrichtung umfasst das bewegbar angeordnete erste Spiegelelement. Das erste Spiegelelement ist angeordnet und ausgebildet, um einen Laserstrahl umzulenken. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das erste Spiegelelement drehbar und/oder kippbar angeordnet ist. Das erste Spiegelelement weist vorzugsweise eine Reflektionsoberfläche auf. Die Reflektionsoberfläche ist vorzugsweise eben ausgebildet, um einen Laserstrahl umzulenken.

Die Reflektionsoberfläche des ersten Spiegelelements ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass keine Strahlformung des auf diese auftreffenden Laserstrahls erfolgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Reflektionsoberfläche eben ausgebildet ist. Die Reflektionsoberfläche ist ferner vorzugsweise mit einer auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmten, reflektierenden Beschichtung versehen, die derart ausgebildet ist, dass ein möglichst geringer Anteil der Laserleistung absorbiert wird, sodass eine Reflektivität von 100 % wünschenswert ist. Das erste Spiegelelement ist weist vorzugsweise eine Größe und/oder eine Geometrie auf, die gewichtsoptimiert ist, sodass das erste Spiegelelement hochdynamisch bewegbar ist.

Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Spiegelvorrichtung eine Kühleinheit zur Kühlung des ersten Spiegelelements aufweist. Die Kühleinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, um das erste Spiegelelement mit einem Gas, insbesondere einem hochreinen Gas, oder Luft zu beaufschlagen. Die Spiegelvorrichtung umfasst ferner den Aktuator. Der Aktuator ist mit dem ersten Spiegelelement gekoppelt. Vorzugsweise ist der Aktuator mit dem ersten Spiegelelement mechanisch gekoppelt. Die mechanische Kopplung ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass die Spiegelvorrichtung eine hohe Steifigkeit und insbesondere eine über einer Betriebsfrequenz der Spiegelvorrichtung liegenden Eigenfrequenz aufweist. Die Eigenfrequenz ist vorzugsweise um ein Vielfaches höher als die Betriebsfrequenz. Die mechanische Kopplung ist ferner vorzugsweise im Wesentlichen spielfrei ausgebildet.

Ferner vorzugsweise ist der Aktuator mit dem Spiegelelement elektromechanisch gekoppelt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Spiegelvorrichtung mindestens ein Kopplungselement aufweist, wobei das erste Spiegelelement mittels des mindestens einen Kopplungselements mit dem Aktuator gekoppelt ist. Der Aktuator weist vorzugsweise einen zylindrischen Grundkörper aus, der beispielsweise einen Durchmesser von 25 mm und eine Höhe von 35 mm aufweist.

Die Spiegelvorrichtung zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine die Vorschubbewegung überlagernde erste Überlagerungsbewegung ausführt. Die Überlagerungsbewegung wird insbesondere durch das erste Spiegelelement bewirkt. Beispielsweise kann die Überlagerungsbewegung durch ein Hin- und Herkippen des ersten Spiegelelements bewirkt werden. Eine zweidimensionale Kippbewegung erfolgt vorzugsweise um einen in der Zentralachse des Laserstrahls in der Reflektionsoberfläche liegenden Drehpunkt. Aufgrund der kleinen Ablenkwinkel des ersten Spiegelelements sind räumlich auch andere Positionen für den Drehpunkt denkbar.

Die Vorschubbewegung erfolgt üblicherweise entlang eines vordefinierten Arbeitsweges. Die Vorschubbewegung wird in laserstrahlbasierten Fertigungssystemen beispielsweise durch Galvanometerscanner realisiert. Die Überlagerungsbewegung ist eine von der Vorschubbewegung im Wesentlichen unabhängige zusätzliche Bewegung des Laserstrahls in der Arbeitsebene. Die Überlagerungsbewegung kann beispielsweise eine unidirektionale Bewegung zwischen einer ersten Position A und einer zweiten Position B sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass von der Position B zur Position A eine sprunghafte Rückbewegung vorgesehen ist. Die Überlagerungsbewegung kann darüber hinaus auch jegliche möglichen Bewegungsabläufe enthalten, beispielsweise elliptisch oder schleifenförmig.

Die Überlagerungsbewegung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass deren Geschwindigkeit in der Regel ein Vielfaches der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubbewegung beträgt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Geschwindigkeit der Überlagerungsbewegung mehr als zehnfach, mehr als hundertfach und/oder mehr als tausendfach höher ist als die

Vorschubgeschwindigkeit.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die erste Überlagerungsbewegung eine erste Bewegungsdistanz aufweist, die zwischen 1 mm und 10 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, beträgt. Die Bewegungsdistanz ist insbesondere die Distanz, die zwischen zwei Punkten der Überlagerungsbewegung besteht, deren Beabstandung maximal ist. Darüber hinaus kann die erste Bewegungsdistanz die Distanz zwischen zwei Umkehrpunkten der ersten Überlagerungsbewegung sein. Bei einer kreisförmigen ersten Überlagerungsbewegung kann die erste Bewegungsdistanz beispielsweise ein Durchmesser der ersten

Überlagerungsbewegung sein. Ein Koordinatensystem der ersten Überlagerungsbewegung bewegt sich stets mit der Vorschubbewegung mit. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die erste Bewegungsdistanz weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 500 pm, vorzugsweise weniger als 100 pm, beträgt. Die erste Überlagerungsbewegung ist vorzugsweise als eine Hin- und Herbewegung ausgebildet. Insbesondere derart geringe Bewegungsdistanzen führen zu einer optimalen Erwärmung des den Laserstrahl umgebenden Bereichs des Werkstoffs bzw. des Werkstücks. Somit können hohe Aufbauraten realisiert werden.

Eine bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement derart zu bewegen, dass sich eine quasi stationäre Intensitätsverteilung einstellt. Durch eine quasi stationäre Intensitätsverteilung kann der Nachteil einer gaußschen Energieverteilung im Laserstrahl reduziert oder beseitigt werden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Aktuator angeordnet und ausgebildet ist, um das erste Spiegelelement mit einer Frequenz von mehr als 0,5 Kilohertz, vorzugsweise mehr als 1 Kilohertz, ferner vorzugsweise mehr als 1,5 Kilohertz, insbesondere mehr als 2 Kilohertz zu bewegen. Mit derartig hohen Frequenzen wird die quasi stationäre Intensitätsverteilung in vorteilhafter Weise ermöglicht.

Es ist ferner bevorzugt, dass das erste Spiegelelement mit den im Vorherigen beschriebenen Frequenzen hin- und hergekippt wird. Wenn das erste Spiegelelement mit einer dieser Frequenzen hin- und hergekippt wird, bewegt sich auch der Laserstrahl mit einer dieser Frequenz entsprechenden Überlagerungsbewegung.

In einerweiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das erste Spiegelelement kippbar um eine erste Kippachse angeordnet ist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das erste Spiegelelement derart mit dem Aktuator gekoppelt ist, dass der Aktuator das erste Spiegelelement zwischen einer ersten Kippendstellung und einer zweiten Kippendstellung hin- und herbewegt.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass das erste Spiegelelement kippbar um eine zweite Kippachse angeordnet ist, wobei die zweite Kippachse im Wesentlichen orthogonal zu der ersten Kippachse ausgerichtet ist. Mit einer ersten Kippachse und einer zweiten Kippachse werden unterschiedliche Überlagerungsbewegungen ermöglicht. Insbesondere können mit zwei Kippachsen kreisförmige oder elliptischförmige oder schleifenförmige Überlagerungsbewegungen des Laserstrahls realisiert werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Aktuator ein Piezoelement ist oder diesen umfasst. Vorzugsweise umfasst der Aktuator zwei oder mehr, insbesondere eine Vielzahl, an Piezoelementen. Ein Piezoelement ist insbesondere ein Bauteil, das den Piezoeffekt ausnutzt. Hierbei wird insbesondere durch das Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung bewirkt. Insbesondere können mit Piezoelementen hohe Frequenzen einer mechanischen Bewegung erzeugt werden. Piezoelemente zeichnen sich darüber hinaus in vorteilhafterweise durch eine hohe Steifigkeit aus. Infolgedessen ist ein Aktuator mit einem, zwei oder mehreren Piezoelementen zur Realisierung der im Vorherigen beschriebenen Frequenzen des ersten Spiegelelements geeignet.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass der Aktuator ein Antrieb, insbesondere ein Direktantrieb, ist oder diesen umfasst. Der Direktantrieb umfasst insbesondere mindestens einen Permanentmagneten und eine elektrische Spule, die ansteuerbar ausgebildet ist. Darüber hinaus kann der Direktantrieb eine Schwingspule sein oder diese umfassen. Eine Schwingspule wird auch als Voice Coil bezeichnet.

Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese einen Sensor zur Erfassung einer Schmelzbadtemperatur eines Schmelzbades umfasst. Der Sensor ist vorzugsweise eine Fotodiode und/oder eine Thermokamera. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Spiegelvorrichtung einen im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Teilerspiegel umfasst, der den Laserstrahl reflektiert und eine vom Schmelzbad reflektierte Strahlung transmittiert, wobei der Sensor und der Teilerspiegel derart angeordnet sind, dass der Sensor die transmittierte, reflektierte Strahlung erfasst.

Da die im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten Spiegel stets so angeordnet sind, dass diese auf das Schmelzbad gerichtet sind, wird auch eine vom Schmelzbad reflektierte Strahlung über diese Spiegel zurückreflektiert, insbesondere wenn die Beschichtung der Spiegel in dem Strahlengang die erforderlichen Wellenlängen ebenfalls reflektieren und die transmissiven Optiken das reflektierte Licht durchlassen. Wenn einer der Spiegel als Teilerspiegel ausgebildet ist und die reflektierte Strahlung transmittiert, kann ein hinter diesem Teilerspiegel angeordneter Sensor die reflektierte Strahlung erfassen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Sensor hinter dem Teilerspiegel angeordnet ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese ein bewegbar angeordnetes zweites Spiegelelement umfasst, wobei der Aktuator und/oder ein weiterer Aktuator angeordnet und ausgebildet ist bzw. sind, um das zweite Spiegelelement derart zu bewegen, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine die Vorschubbewegung überlagernde zweite Überlagerungsbewegung ausführt. Die zweite Überlagerungsbewegung kann gleich oder verschieden zur ersten Überlagerungsbewegung ausgebildet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die erste Überlagerungsbewegung ein von der zweiten Überlagerungsbewegung verschiedenes erstes Bewegungsmuster aufweist. Dies bedeutet insbesondere, dass das erste Bewegungsmuster verschieden von einem zweiten Bewegungsmuster der zweiten Überlagerungsbewegung ist.

Das erste Bewegungsmuster der ersten Überlagerungsbewegung kann beispielsweise eine im Wesentlichen unidirektionale Bewegung zwischen zwei Positionen sein. Das zweite Bewegungsmuster der zweiten Überlagerungsbewegung kann beispielsweise kreisförmig, ellipsenförmig und/oder schleifenförmig ausgebildet sein.

Eine weitere bevorzugte Fortbildung der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung des ersten Spiegelelements, des zweiten Spiegelelements und/oder des Aktuators umfasst. Die Steuerungsvorrichtung ist vorzugsweise signaltechnisch mit dem Aktuator und/oder dem weiteren Aktuator signaltechnisch gekoppelt. Es ist insbesondere bevorzugt, dass Ausgangssignale der Steuerungsvorrichtung von dem Aktuator und/oder den weiteren Aktuatoren als Eingangssignale verwendet werden können.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung parallel zu der Vorschubbewegung ausgerichtet ist bzw. sind. Eine solche parallel zur Vorschubbewegung ausgerichtete erste bzw. zweite Überlagerungsbewegung ist vorzugsweise unidirektional ausgebildet, sodass diese gleichmäßig von einer ersten Position A zu einer zweiten Position B erfolgt und anschließend mit einer Sprungfunktion zur Ausgangsposition A zurückkehrt.

Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung orthogonal zu der Vorschubbewegung ausgerichtet ist bzw. sind. Eine solche Überlagerungsbewegung ist insbesondere quer zur Vorschubbewegung ausgerichtet. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung und/oder die zweite Überlagerungsbewegung ein kreisförmiges, elliptisches und/oder schleifenförmiges erstes Bewegungsmuster und/oder zweites Bewegungsmuster aufweist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um von dem Sensor ein die Schmelzbadtemperatur des Schmelzbades charakterisierendes Temperatursignal zu empfangen und basierend auf dem Temperatursignal eine Lasereinheit, insbesondere eine Laserleistung, zu steuern und/oderzu regeln. Die insbesondere nicht von der Spiegelvorrichtung umfasste Lasereinheit kann mittels eines entsprechend ausgebildeten Signals der Steuerungsvorrichtung angesteuert bzw. geregelt werden.

Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, um den Aktuator derart zu steuern, dass eines der Spiegelelemente mit einer im Wesentlichen translatorischen Bewegung und das andere Spiegelelement mit einer im Wesentlichen rotatorischen Bewegung bewegt wird. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass das erste Spiegelelement mit einer translatorischen Bewegung und das zweite Spiegelelement mit einer rotatorischen Bewegung bewegt wird. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungsvorrichtung mit einem Laserscanner signaltechnisch koppelbar und eingerichtet ist, den Aktuator in Abhängigkeit der von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung des Laserstrahls zu steuern. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass die erste Überlagerungsbewegung orthogonal zur Vorschubbewegung ausgerichtet ist. Bei einer Vorschubbewegung des Laserstrahls ausschließlich in x-Richtung kann die Steuerungsvorrichtung infolgedessen den Aktuator beispielsweise derart steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung im Wesentlichen ausschließlich in y- Richtung erfolgt. Die im Vorherigen beschriebene Steuerung des Aktuators mittels der Steuerungsvorrichtung kann in analoger Weise für den weiteren Aktuator eingerichtet werden. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Spiegelvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese zwei oder drei weitere Spiegelelemente umfasst, die derart angeordnet sind, dass der Laserstrahl vor dem ersten Spiegelelement in Laserstrahlrichtung und hinter dem letzten der vier Spiegelelemente in Laserstrahlrichtung im Wesentlichen koaxial ausgerichtet ist. Eine solche Spiegelvorrichtung ist insbesondere nachrüstbar ausgebildet, sodass diese in bestehende Fertigungssysteme einbaubar ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fertigungssystem zur laserstrahlbasierten Fertigung, umfassend eine Lasereinheit zur Emission eines Laserstrahls und eine Spiegelvorrichtung nach einer der im vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.

Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Festkörperlaser oder CO2-Laser sein. Ferner sind jegliche weitere für die laserstrahlbasierte Fertigung geeignete Laser einsetzbar. Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Faserlaser sein oder diesen umfassen. Die Lasereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass der emittierte Laserstrahl eine Wellenlänge von 1064 nm aufweist. Die Lasereinheit weist ferner vorzugsweise eine Leistung zwischen 400 W und 1000 W auf.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Fertigungssystems umfasst einen Kollimationsbereich, in dem der Laserstahl im Wesentlichen kollimiert ist, wobei die Spiegelvorrichtung in dem Kollimationsbereich, insbesondere zwischen einer Kollimatoreinheit und einer Fokussiereinheit, angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Fertigungssystems ist vorgesehen, dass dieses einen Laserscanner umfasst, wobei die Steuerungsvorrichtung mit dem Laserscanner signaltechnisch gekoppelt ist und das erste Spiegelelement in Abhängigkeit einer von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung des Laserstrahls steuert.

Das Fertigungssystem ist vorzugsweise eine Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere zum Laserstrahlschmelzen, zum selektiven Laserschmelzen, zum Laserstrahlschneiden, zum Laserstrahlschweißen und/oder zum Laserstrahlabtragen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur laserstrahlbasierten Fertigung eines Bauteils mit einem mit einer Vorschubbewegung in einer Arbeitsebene bewegbaren Laserstrahl, umfassend den Schritt: Ansteuern eines mit einem ersten Spiegelelement gekoppelten Aktuators, wobei das Spiegelelement zum Umlenken des Laserstrahls angeordnet ist, derart, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene eine erste Überlagerungsbewegung ausführt, die vorzugsweise die Vorschubbewegung überlagert.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst den Schritt: Kippen des ersten Spiegelelements um eine erste Kippachse, insbesondere Bewegen des ersten Spiegelelements zwischen einer ersten Kippendstellung und einer zweiten Kippendstellung. Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Kippen des ersten Spiegelelements um eine zweite Kippachse.

Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Steuern und/oder Regeln einer Lasereinheit, insbesondere einer Laserleistung der Lasereinheit, basierend auf einem Temperatursignal, das eine Schmelzbadtemperatur eines Schmelzbades charakterisiert. Ferner kann die Laserleistung basierend auf einer Position des ersten Spiegelelements gesteuert und/oder geregelt werden. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die Laserleistung basierend auf einer Geschwindigkeit des Laserstrahls in einer Arbeitsebene gesteuert und/oder geregelt wird. Dadurch können mittels der mit dem ersten Spiegelelement erzeugten Bewegungsbahn quasistationäre Intensitätsverteilungen erzeugt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Mehrfachbelichtung zur verdampfungsfreien Durchwärmung eines Materials zur Herbeiführung eines Wärmeleitungsschweißens erfolgt.

Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt umfassen: Steuern des Aktuators in Abhängigkeit der von dem Laserscanner bewirkten Vorschubbewegung Gemäß einem weiteren Aspekt für die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten auszuführen.

Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen der Spiegelvorrichtung verwiesen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung;

Fig. 2: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung; Fig. 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Fertigungssystems mit einer Spiegelvorrichtung;

Fig. 4: eine schematische Ansicht von beispielhaften Überlagerungsbewegungen eines Laserstrahls in einer Arbeitsebene; und

Fig. 5: ein schematisches Verfahren.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Das in Fig. 1 gezeigte Fertigungssystem 1 umfasst eine Lasereinheit 18 zur Emission eines Laserstrahls 16, 24. Die Lasereinheit kann beispielsweise ein Festkörperlaser oder CO2-Laser sein. Ferner sind jegliche weitere für die laserstrahlbasierte Fertigung geeignete Lasereinsetzbar. Der von der Lasereinheit 18 emittierte Laserstrahl trifft zunächst auf eine Kollimatoreinheit 20, der den Laserstrahl 16 kollimiert.

Der kollimierte Laserstrahl 16 trifft anschließend auf eine Spiegelvorrichtung 2. Innerhalb der Spiegelvorrichtung 2 trifft der kollimierte Laserstrahl 16 zunächst auf ein Spiegelelement 10, danach auf ein weiteres Spiegelelement 8 und anschließend auf ein erstes Spiegelelement 4.

Das erste Spiegelelement 4 ist bewegbar angeordnet. Insbesondere ist das erste Spiegelelement 4 angeordnet, um den Laserstrahl um zwei im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichtete Achsen abzulenken. Das erste Spiegelelement 4 ist zum Umlenken des Laserstrahls 16 ausgebildet. Das erste Spiegelelement 4 ist mit einem Aktuator 6 gekoppelt. Der Aktuator 6 ist angeordnet und ausgebildet, um das erste Spiegelelement 4 derart zu bewegen, dass der im Folgenden noch näher erläuterte fokussierte Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 eine die Vorschubbewegung 36 überlagernde erste Überlagerungsbewegung 46 ausführt. Hierfür umfasst der Aktuator 6 vorzugsweise eine Vielzahl an

Piezoelementen, sodass sich das Spiegelelement 4 mit einer hohen Frequenz, beispielsweise zwei Kilohertz, um eine Kippachse hin- und herbewegt.

Von dem ersten Spiegelelement 4 wird der Laserstrahl 16 auf ein weiteres Spiegelelement 12 umgelenkt. Die Spiegelelemente 4, 8 bis 12 sind jeweils derart angeordnet, dass der Laserstrahl um 90 Grad umgelenkt wird. Da innerhalb der Spiegelvorrichtung 2 insgesamt vier Spiegelelemente 4, 8 bis 12 angeordnet sind, weist der Laserstrahl in Strahlrichtung vor der Spiegelvorrichtung 2 und hinter der Spiegelvorrichtung 2 die gleiche Ausrichtung auf.

Austretend aus der Spiegelvorrichtung 2 trifft der Laserstrahl auf eine Fokussiereinheit 22. Innerhalb der Fokussiereinheit 22 wird der kollimierte Laserstrahl 16 fokussiert, sodass ein fokussierter Laserstrahl 24 ausgebildet wird. Der fokussierte Laserstrahl 24 trifft auf einen Laserscanner 26. Der Laserscanner kann beispielsweise ein Galvanometerscanner sein.

Der Laserscanner 26 lenkt den fokussierten Laserstrahl 24 auf die Arbeitsebene 28. Vorzugsweise ist der Laserscanner 26 derart angeordnet und ausgebildet, dass der Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls 24 im Wesentlichen in der Arbeitsebene 28 liegt.

Das Bewegen eines fokussierten Laserstrahls 24 in einer Arbeitsebene 28 mit einem Laserscanner 26 ist grundsätzlich bekannt. Nachteilig hieran war in der Vergangenheit, dass der Laserstrahl in der Arbeitsebene 28 derart fokussiert war, dass durch den punktuellen Energieeintrag und dem damit verbundenen steilen Temperaturgradienten Spannungsrisse innerhalb des erstarrten Materials auftraten. Hierdurch war die Materialauswahl für den Laserstrahlschmelzprozess limitiert. Darüber hinaus kam es bei bestimmten Materialien zu derartig hohen Temperaturen, dass einzelne Legierungsbestandteile verdampften und sich Poren in dem erstarrten Material ausbildeten. Diese Nachteile werden durch die Spiegelvorrichtung 2 verhindert. Durch das Hin- und Herbewegen des ersten Spiegelelements 4 mittels des Aktuators 6 kann der fokussierte Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 um einen vordefinierten Mittelpunkt hin- und herbewegt werden. Ferner kann dieser um den Mittelpunkt herum kreisen. Infolgedessen wird das Umfeld des vordefinierten Mittelpunktes vorgewärmt und ggf. auch nachgewärmt.

Die Spiegelvorrichtung 2 ermöglicht darüber hinaus eine Überwachung des Schmelzbades in der Arbeitsebene 28. Hierfür weist die Spiegelvorrichtung 2 eine Fotodiode 14 auf. Die Fotodiode 14 ist hinter dem als Teilerspiegel ausgebildeten Spiegelelement 8 angeordnet. Durch eine Reflektion von Strahlung des Schmelzbads, die den im Vorherigen beschriebenen Gang des Laserstrahls rückwärts durchläuft, trifft diese Strahlung auf die Fotodiode 14. Die Spiegelvorrichtung 2 umfasst darüber hinaus eine Steuerungsvorrichtung 50. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist mit der Fotodiode 14, dem Aktuator 6, der Lasereinheit 18 und dem Laserscanner 26 signaltechnisch gekoppelt. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist zur Steuerung des ersten Spiegelelements 4, der Lasereinheit 18, des Aktuators 6 sowie des Laserscanners 26 ausgebildet. Die Steuerungsvorrichtung 50 ist eingerichtet, um den Aktuator 6 derart zu steuern, dass die erste Überlagerungsbewegung 46 parallel und/oder orthogonal zu der Vorschubbewegung 36 ausgerichtet ist und/oder ein kreisförmiges, elliptisches und/oder schleifenförmiges erstes Bewegungsmuster aufweist.

Die Steuerungsvorrichtung 50 ist ferner vorzugsweise eingerichtet, um von der Fotodiode 14 ein eine Schmelzbadtemperatur des Schmelzbades charakterisierendes Temperatursignal zu empfangen und basierend auf dem Temperatursignal die Lasereinheit 18 zu steuern und/oderzu regeln. Hierfür ist die Steuerungsvorrichtung 50 mit der Lasereinheit 18 signaltechnisch gekoppelt. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 50 derart eingerichtet, dass sie die Laserleistung abhängig von einer Winkelstellung des Spiegelelements 4 und abhängig von einer aktuellen Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls in der Arbeitsebene 28 steuern kann. Die Beeinflussung der Laserleistung kann auch dadurch erfolgen, dass die Steuerungsvorrichtung 50 die Frequenz und/oder den duty-cycle des Laserstrahls variiert.

Fig. 2 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Fertigungssystems 1. Der Aufbau der Spiegelvorrichtung 2 unterscheidet sich von dem im Vorherigen beschriebenen Aufbau dadurch, dass ein zweites Spiegelelement und ein zweiter Aktuator 32 vorgesehen sind. Mit dem zweiten Spiegelelement 30 kann eine zweite Überlagerungsbewegung 48 realisiert werden. Beispielsweise ist es somit möglich, dass der Laserstrahl 24 um den Mittelpunkt 34 eine unidirektionale und eine kreisende Bewegung ausführt. Die Fotodiode 14 ist hier hinter dem Spiegelelement 12 angeordnet, sodass das Spiegelelement 12 als Teilerspiegel ausgebildet ist. Die in Bezug auf Figur 1 beschriebene Steuerungsvorrichtung 50 kann in analoger Weise mit den erforderlichen Anpassungen in dem in Figur 2 gezeigten Fertigungssystem 1 vorgesehen werden. Fig. 3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Fertigungssystems 1. Dieses Fertigungssystem weist eine Lasereinheit 18 und eine Kollimatoreinheit 20 zur Emission eines kollimierten Laserstrahls 16 auf. Die Spiegelvorrichtung 2 umfasst ein erstes Spiegelelement 4 und einen Aktuator 6. Der von dem ersten Spiegelelement 4 reflektierte kollimierte Laserstrahl 16 trifft auf den Laserscanner 26, der den kollimierten Laserstrahl 16 zu einer Planfeldlinse 27 umlenkt. Die

Planfeldlinse 27 fokussiert den Laserstrahl 16, sodass dieser fokussiert auf die Arbeitsebene 28 trifft. Fig. 4 zeigt mögliche Überlagerungsbewegungen 46, 48 in der Arbeitsebene 28 des fokussierten Laserstrahls 24. Die durchgehende Linie in der Mitte repräsentiert die durch den Arbeitsweg vordefinierte Position des Laserstrahls 24 zu einem Zeitpunkt ohne die Berücksichtigung der Überlagerungsbewegungen 46, 48. Diese Position würde sich einstellen, wenn keine Spiegelvorrichtung 2 eingesetzt wird. Der Laserstrahl 24 wird mit der Vorschubbewegung 36 entlang des vordefinierten Arbeitsweges bewegt. Diese Bewegung wird von den Überlagerungsbewegungen 46, 48 überlagert. Beispielsweise kann sich der Laserstrahl 24 stetig mit der ersten Überlagerungsbewegung 46 vor- und zurückbewegen, sodass sich dieser zwischen dem ersten Parallelendpunkt 42 und dem zweiten Parallelendpunkt 44 hin- und herbewegt. Die Parallelendpunkte 42, 44 werden mit dem fokussierten Laserstrahl 24 entlang der Vorschubbewegung 36 mitbewegt.

Alternativ oder ergänzend kann der Laserstrahl 24 auch mit einer zweiten Überlagerungsbewegung 48 bewegt werden, sodass der Laserstrahl 24 zwischen dem ersten Orthogonalendpunkt 38 und dem zweiten Orthogonalendpunkt 40 hin- und herbewegt wird. Infolgedessen wird das Umfeld des fokussierten Laserstrahls 24 vorerwärmt und/oder nacherwärmt. Dadurch kann die Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubbewegung 36 erhöht werden. Darüber hinaus entstehen keine oder weniger Poren in dem Material. Des Weiteren wurde herausgefunden, dass mit einer derartigen Laserstrahlführung weniger Spannungsrisse im Material auftreten.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Verfahren. In Schritt 100 wird der mit dem ersten Spiegelelement 4 gekoppelte Aktuator 6 angesteuert, wobei das erste Spiegelelement 4 zum Umlenken des Laserstrahls 16 angeordnet ist, derart, dass der Laserstrahl 24 in der Arbeitsebene 28 eine die Vorschubbewegung 36 überlagernde erste Überlagerungsbewegung 46 ausführt.

In Schritt 102 wird ein zweiter Aktuator 32 zur Bewegung eines zweiten Spiegelelements 30 angesteuert, sodass eine zweite Überlagerungsbewegung 48 ermöglicht wird. Die Schritte 100 und 102 werden vorzugsweise zeitparallel durchgeführt. In Schritt 104 wird basierend auf einem Temperatursignal die Lasereinheit 18 gesteuert. Die Laserleistung wird darüber hinaus in Abhängigkeit einer Position des Laserstrahls in der Arbeitsebene und einer Geschwindigkeit des Laserstrahls in der Arbeitsebene gesteuert und/oder geregelt.

Die Steuerungsvorrichtung 50 ist vorzugsweise mit einer Steuerung für den Laserscanner 26 signaltechnisch gekoppelt, sodass die Orientierung der Kippspiegelbewegung mit der aktuellen Bewegungsrichtung des Laserscanners 26 synchronisierbar ist.

Wenn der Temperatursensor 14 hinter dem Spiegelelement 12 angeordnet ist, ist es bevorzugt, dass der Temperatursensor als Thermokamera ausgebildet ist, um in vorteilhafterweise die Temperaturverteilung in einem größeren Bereich zu erfassen. Die im Vorherigen beschriebene Fotodiode und die Thermokamera weisen vorzugsweise ein im Wesentlichen gleich ausgebildetes Sichtfeld auf.

BEZUGSZEICHEN

1 Fertigungssystem

2 Spiegelvorrichtung

4 erstes Spiegelelement 6 Aktuator

8 Spiegelelement 10 Spiegelelement 12 Spiegelelement 14 Fotodiode 16 kollimierter Laserstrahl 18 Lasereinheit 20 Kollimatoreinheit 22 Fokussiereinheit 24 fokussierter Laserstrahl 26 Laserscanner

27 Planfeldlinse

28 Arbeitsebene 30 zweites Spiegelelement 32 Aktuator 34 Mittelpunkt Laserstrahl

36 Vorschubbewegung 38 erster Orthogonalendpunkt

40 zweiter Orthogonalendpunkt

42 erster Parallelendpunkt zweiter Parallelendpunkt erste Überlagerungsbewegung zweite Überlagerungsbewegung

Steuerungsvorrichtung