Bauteilen und Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulver mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: einen Behälter mit einem absenkbaren, typischerweise im Wesentlichen

plattenförmigen Träger zur Aufbringung des Pulvers, sowie eine

Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung zum Ausrichten des

Bearbeitungsstrahls auf ein Bearbeitungsfeld an einer Öffnung des Behälters zum schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils durch Bestrahlen des Pulvers. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers, das in einer Bearbeitungsmaschine zum schichtweisen Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen auf einen absenkbaren Träger eines Behälters aufgebracht ist. Die WO 2016/049621 A1 beschreibt ein System für das Vorheizen von Baumaterial unter Verwendung eines Laser-Scanners in einer Additive-Manufacturing-Umgebung. Das System weist einen Laser-Scanner auf, um einen Laserstrahl gezielt auf eine Oberfläche des Baumaterials zu richten. Ein Computer-Kontrollsystem ist

ausgebildet, anhand einer Soll-Temperaturverteilung und einer Ist- Temperaturverteilung des Baumaterials einen oder mehrere Teilbereiche der

Oberfläche des Baumaterials für das Vorheizen zu bestimmen und den Laser- Scanner anzusteuern, den Laserstrahl auf den einen oder die mehreren Teilbereiche auszurichten. Das System kann einen Wärmesensor, beispielsweise eine Infrarot- Kamera, zur Bestimmung der Temperaturverteilung des Baumaterials aufweisen. Es kann eine Strahlungsheizung z.B. in Form einer Infrarot-Lampe vorgesehen sein, um das Baumaterial auf eine Temperatur vorzuheizen, die niedriger ist als die Soll- Temperaturverteilung. Die Ist-Temperaturverteilung kann zumindest teilweise anhand der Wärmeverteilung eines Objekts bestimmt werden, das aus dem Baumaterial hergestellt werden soll.

Die EP 2 335 848 A1 beschreibt eine optische Bestrahlungseinheit, die optische Komponenten zum Führen und Fokussieren eines Strahlengangs eines ersten Laserstrahls sowie eine optische Teil- bzw. Koppeleinheit zum Aufteilen des ersten Laserstrahls in zumindest zwei Teilstrahlen und/oder zum Einkoppeln eines zweiten Laserstahls mit einer von der Wellenlänge des ersten Laserstrahls verschiedenen Wellenlänge in den Strahlengang des ersten Laserstrahls umfasst. Bei dem zweiten Laserstrahl kann es sich um einen Diodenlaserstrahl handeln, der so in den ersten Laserstrahl eingekoppelt wird, dass er auf den gleichen Punkt der Pulverschicht auftrifft, um diesen Punkt auf der Pulverschicht ortsselektiv vorzuheizen. Eine Anlage zur Herstellung von Werkstücken durch Bestrahlen von Pulverschichten eines

Rohstoffpulvers kann eine solche Bestrahlungseinheit sowie eine Vielzahl von

Diodenlasern aufweisen, die über der Pulverschicht angeordnet und dazu

ausgebildet sind, die Pulverschicht homogen vorzuheizen.

Die DE 10 2015 215 645 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erwärmung eines Objekts durch Bestrahlen mit einer Bestrahlungsquelle. Die

Vorrichtung umfasst eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Strahls mit einem ersten Strahlprofil, eine Strahlführungseinrichtung mit einer Strahlführungsoptik zur Umformung des ersten Strahlprofils in ein zweites, einstellbares Strahlprofil, das dem Bestrahlungsbereich des Objekts zugeführt wird, sowie eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Strahlformungsoptik und/oder der Strahlquel!e zur Erzeugung einer Soll-Temperaturverteilung in dem Bestrahlungsbereich des Objekts. Das Objekt kann in einer Prozesskammer in einer Vorrichtung zur Behandlung einer Oberfläche des Objekts angeordnet sein. Der Bestrahlungsbereich kann an einer der zu behandelnden Oberfläche abgewandten Seite des Objekts gebildet sein.

Aus der DE 10 2015 213 103 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum

Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt geworden, bei denen eine auf einen Träger aufgebrachte Pulverschicht durch eine Strahlungsheizung vorgeheizt wird. Die Strahlungsheizung ist dazu ausgelegt, das gesamte Baufeld sowie ggf. einen Teil einer in einer Arbeitsebene liegenden Arbeitsplatte vorzuheizen. Aus der WO 2014/206573 A2 ist eine Bearbeitungsmaschine zum Generieren eines dreidimensionalen Bauteils durch selektives Laserschmelzen bekannt geworden, die eine Prozesskammer sowie mindestens eine Funktionsschnittstelle aufweist, die sich in die Prozesskammer erstreckt und die mit einer Prozessbeeinflussungseinrichtung zum Einwirken auf einen bereits fertiggestellten Bereich des Bauteils während des selektiven Laserschmelzens verbind bar ist. Der Wärmehaushalt des entstehenden Bauteils kann während des selektiven Laserschmelzens indirekt beeinflusst werden, indem eine Grundplatte beheizt wird, die zum schichtweisen Generieren des dreidimensionalen Bauteils dient. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bearbeitungsmaschine sowie ein Verfahren zum Erwärmen eines Pulvers bereitzustellen, die es ermöglichen, eine möglichst homogene Temperaturverteilung des Pulvers im Bereich des

Bearbeitungsfeldes zu erzeugen.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Bestrahlungseinrichtung eine Heizeinrichtung aufweist, die eine Heizstrahlungsquelie zum Erzeugen eines

Heizstrahls zum Erwärmen des Pulvers von oben durch Ausrichten des Heizstrahls auf das Bearbeitungsfeld sowie eine Strahlformungsoptik aufweist, die ausgebildet ist, ein erstes Strahlprofil des Heizstrahls in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil der Heizstrahls umzuwandeln. Der Heizstrahl wird typischerweise nicht in der Scannereinrichtung abgelenkt, d.h. der Heizstrahl trifft nicht auf den oder die Scannerspiegel der Scannereinrichtung. Die Heizstrahlungsquelie ist vielmehr in der Regel zum ortsfesten Ausrichten der Strahlachse des Heizstrahls an denselben Punkt des Bearbeitungsfeldes ausgebildet. Auch die Ausrichtung (der Winkel) der Strahlachse des Heizstrahls relativ zum Bearbeitungsfeld ist typischerweise konstant.

Die Erfinder haben erkannt, dass es auch bei einer homogenen Wärmezuführung in das Pulver aufgrund der geometrischen Gegebenheiten zu einem starken Gradienten der Temperatur innerhalb des Pulvers kommen kann. Dies gilt auch für den Fall, dass eine weitere Heizeinrichtung (s.u.) zum typischerweise homogenen Erwärmen des Pulvers von unten, beispielsweise durch das Aufheizen des in der Regel annähernd plattenförmigen Trägers, vorgesehen ist: Auch in diesem Fall kommt es aufgrund der großen abstrahlenden Fläche (Mantelfläche und Deckfläche bzw.

Oberseite des plattenförmigen Trägers) bei gleichzeitig begrenzter Möglichkeit der Wärmezuführung zu einem starken Gradienten der Temperatur innerhalb des

Pulvers. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die weitere Heizeinrichtung ausgebildet ist, die Heizleistung nur über die Unterseite des Trägers, beispielsweise einer Substrat- bzw. Grundplatte des Trägers zuzuführen, da die Unterseite je nach Materialstärke des plattenförmigen Trägers nur ca. einem Drittel der gesamten Oberfläche des Trägers entspricht. Das Auftreten eines Temperaturgradienten in dem Pulver ist insbesondere an der Oberseite des Pulvers bzw. des Pulverbetts problematisch, an dem das Pulver mit dem Bearbeitungsstrahl bestrahlt wird. Wärmeverluste der in das Pulver eingebrachten Heizleistung entstehen durch

Konvektion, insbesondere durch eine Wärmeabgabe an das sich bewegende, umgebende Gas, durch Wärmeleitung über das in der Regel metallische Pulver direkt an die in der Regel gekühlte Wand des Behälters sowie durch

Strahlungsverluste an alle angrenzenden Oberflächen. Wird der Träger im Laufe des schichtweisen Aufbauprozesses des dreidimensionalen Bauteils in den Behälter abgesenkt, so führen die beschriebenen Wärmeveriuste zu einem inhomogenen Wärmehaushalt bzw. zu einer inhomogenen Temperaturverteilung in dem Behälter, insbesondere an der Oberseite des Pulvers bzw. des Pulverbetts. Insbesondere für den Fall, dass der Behälter eine im Wesentlichen (kreis-)zylindrische Geometrie aufweist, kann es sich bei der Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld, d.h. an der Oberseite des Pulvers, um eine in Bezug auf die vertikale Mittenachse des Behälters im Wesentlichen symmetrische Gauß-Verteilung handeln. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die inhomogene Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld zumindest teilweise dadurch zu homogenisieren, dass die Heizeinrichtung den kühleren Teilbereichen des Pulvers gezielt Wärme zuführt, um die Temperaturverteilung des in der Regel kreisförmigen

Bearbeitungsfeldes zu homogenisieren. Insbesondere für den Fall, dass das

Bearbeitungsfeld eine kreisförmige Geometrie aufweist, hat sich zu diesem Zweck die Verwendung eines (kreis-)ringförmigen Strahlprofils des Heizstrahls als

besonders geeignet herausgestellt.

Unter einem ringförmigen Strahiprofil wird im Sinne dieser Anmeldung ein Strahlprofil verstanden, bei dem das Maximum der Intensitätsverteilung nicht im Zentrum des Strahlprofils angenommen wird, sondern entlang eines typischerweise ringförmigen Bereichs, der vom Zentrum des Strahlprofils beabstandet ist. Das ringförmige

Strahlprofil bzw. dessen Intensitätsverteilung ist typischerweise rotationssymmetrisch zum Zentrum des Strahlprofils. Gegebenenfalls kann die Intensitätsverteilung des ringförmigen Strahlprofils zusätzlich in Umfangsrichtung variieren, d.h. es existieren Winkelbereiche des ringförmigen Strahlprofils mit höherer und mit geringerer

Intensität.

Für die Erwärmung der in Bezug auf die Mittenachse des Behälters bzw. des

Bauzylinders außen liegenden Teilbereiche hat sich die Erzeugung einer

ringförmigen Intensitätsverteilung des Heizstrahls als vorteilhaft erwiesen, deren Durchmesser bzw. Größe annähernd mit dem Durchmesser bzw. mit der Größe des Bearbeitungsfeldes übereinstimmt. Ein solches ringförmiges Strahlprofil kann mit Hilfe einer Strahlformungsoptik aus einem Heizstrahl mit einem beispielsweise im Wesentlichen gaußförmigen Strahlprofil erzeugt werden. Durch die Erwärmung des Pulvers von oben mit einem Heizstrahl mit ringförmigem Strahlprofil kann - insbesondere in Kombination mit einer zusätzlichen Erwärmung des Pulvers von unten - bereits eine ungefähr homogene Temperaturverteilung in dem Pulverbett bzw. in dem Pulver erzeugt werden, das auf Höhe der Bearbeitungsebene

angeordnet ist, ohne dass zu diesem Zweck eine komplexe Regelung erforderlich ist.

Es hat sich hierbei als günstig erwiesen, den Heizstrahl in der

Bestrahlungseinrichtung zu erzeugen und durch ein Fenster in eine Prozesskammer einzukoppeln, in der das Pulver angeordnet ist. Der Heizstrahl kann insbesondere mit dem Bearbeitungsstrahl, der zum Bestrahlen des Pulvers für das schichtweise Herstellen des dreidimensionalen Bauteils verwendet wird, durch ein gemeinsames Fenster in die Prozesskammer eingekoppelt werden. Im Gegensatz zum

Bearbeitungsstrahl, der mit Hilfe der Scannereinrichtung auf unterschiedliche Punkte des Bearbeitungsfeldes ausgerichtet wird, trifft die Strahlachse des Heizstrahls typischerweise stets die Mitte des Bearbeitungsfeldes bzw. die Strahlachse des Heizstrahls ist typischerweise stets senkrecht zur Bearbeitungsebene ausgerichtet. Wie weiter oben beschrieben wurde, entspricht der Außendurchmesser des

Strahlprofils des Heizstrahls in der Bearbeitungsebene typischerweise der Größe des Bearbeitungsfeldes, d.h. der Größe bzw. dem Durchmesser der Öffnung des

Behälters.

Bei einer Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine weitere

Heizeinrichtung zum Erwärmen des Pulvers von unten durch Aufheizen des Trägers. Durch das zusätzliche Erwärmen des Pulvers von unten kann die Aufheizzeit verkürzt werden. Mit Hilfe des Heizstrahls kann das Pulver insbesondere in den Teilbereichen des Bearbeitungsfeldes zusätzlich erwärmt werden, in denen sich das Pulver bei der Erwärmung von unten zu stark abkühlt, so dass sich insgesamt eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver einstellt. Bei der

Temperaturverteilung, die beim Erwärmen des Pulvers von unten erzeugt wird, kann es sich insbesondere um eine im Wesentlichen in radialer Richtung Gauß-förmige Temperaturverteilung handeln.

Bei einer Weiterbildung weist die weitere Heizeinrichtung zum Aufheizen des Trägers mindestens eine Infrarot-Strahlungsquelle und/oder mindestens ein in den Träger eingebettetes Heizelement auf. Bei der weiteren Heizeinrichtung zum Erwärmen des Pulvers von unten kann es sich um eine (Infrarot-)Strahlungsheizung handeln, die von dem Träger beabstandet ist und die typischerweise unter dem Träger

angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die weitere Heizeinrichtung eine Wärmeleitungsheizung aufweisen, d.h. eines oder mehrere Heizelemente bzw.

Heizkörper, die üblicherweise an der Unterseite des Trägers angeordnet und in den Träger eingepresst sind. In beiden Fällen wird die Heizleistung von der weiteren Heizeinrichtung dem Träger lediglich von seiner Unterseite her zugeführt.

Bei einer Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, eine

Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einzustellen bzw. zu verändern. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird beim schichtweisen Herstellen des dreidimensionalen Bauteils der Träger schrittweise abgesenkt, so dass sich über dem Träger ein mit zunehmender Prozessdauer in der Höhe zunehmendes

Pulverbett ausbildet. Da das Pulverbett die Wärme schlecht leitet, aber die bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils aufgeschmolzenen Teilbereiche des Pulverbetts die Wärme gut leiten, kann es während des Herstellungsprozesses zu einer zeitabhängigen Verzerrung der in radialer Richtung Gauß-förmigen

Temperaturverteilung kommen, die durch die Erwärmung des Pulvers von unten erzeugt wird. Vereinfacht betrachtet führt eine solche Verzerrung dazu, dass die Gauß-förmige Verteilung flacher oder steiler ausfällt. Für die Homogenisierung hat es sich daher als günstig erwiesen, wenn die räumliche Verteilung der Intensität der Strahlung innerhalb des Strahlprofils eingestellt werden kann, insbesondere in radialer Richtung, d.h. in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls, um die flachere bzw. steilere Gauß-förmige Verteilung, die durch die weitere Heizeinrichtung erzeugt wird, zu berücksichtigen und auf diese Weise insgesamt eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver zu erhalten. Die Einstellung der

Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils ist auch sinnvoll, um das zweite Strahlprofil an unterschiedliche Pulvermaterialien anzupassen, falls diese

unterschiedliche Wärmeleitwerte aufweisen.

Bei der Einstellung der Intensitätsverteilung eines zweiten, ringförmigen Strahlprofils des Heizstrahls kann beispielsweise die Größe bzw. der Durchmesser eines Strahlprofilbereichs um die Strahlachse bzw. um die Mitte des Strahlprofils eingestellt werden, in dem die Intensität des Heizstrahls unter einem Intensitätsschwellwert liegt, der beispielsweise bei ca. 90% der maximalen Intensität der Heizstrahlung in dem Strahlprofil liegen kann. Alternativ oder zusätzlich kann bei der Einstellung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils ein Abstand zwischen der Strahlachse des Heizstrahls und einem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das Strahlprofil seine maximale Intensität aufweist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, eine Intensitätsdifferenz zwischen einer minimalen Intensität und einer maximalen

Intensität des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einzustellen. Die minimale

Intensität bzw. ein (lokales) Intensitäts-Minimum nimmt das zweite Strahlprofil typischerweise auf der Strahlachse des Heizstrahls, d.h. im Zentrum des

Strahlprofils, an. In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Pulvermaterials, insbesondere von dessen Wärmeleitwert, kann es sinnvoll sein, einen Heizstrahl zu erzeugen, bei dem die Intensitätsdifferenz derart variiert werden kann, dass dieser einen Temperaturunterschied zwischen dem Zentrum und dem radialen Randbereich des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld erzeugt, der zwischen kleinen

Temperaturdifferenzen von z.B. wenigen Kelvin und großen Temperaturdifferenzen von beispielsweise ca. 50 K bis 100 K variiert. Die Intensitätsdifferenz kann insbesondere auch in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils, insbesondere in Abhängigkeit von der (Querschnitts- )Geometrie des herzustellenden Bauteils, eingestellt werden, da sich die

Wärmeleitfähigkeit des Pulvermaterials von der Wärmeleitfähigkeit der bereits hergestellten Schichten des dreidimensionalen Bauteils unterscheidet. Für den Fall, dass bei der Herstellung des Bauteils bzw. von mehreren Bauteilen zunächst

Schichten hergestellt werden, die einen vergleichsweise großen, ggf. über das gesamte Bearbeitungsfeld verteilten Querschnitt aufweisen, ist aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des aufgeschmolzenen Pulverschichen die Wärme in dem

Bearbeitungsfeld im Wesentlichen homogen verteilt, fällt aber in den Randbereichen des Bearbeitungsfeldes stärker ab. In diesem Fall kann es günstig sein, eine vergleichsweise große Intensitätsdifferenz zu erzeugen. Wird das bzw. werden die hergestellten Bauteile nach oben hin filigraner, stellt sich eine stärker kontinuierlich in Richtung des Randes des Bearbeitungsfeldes abfallende Temperaturverteilung ein. In diesem Fall ist es günstig, wenn die Intensitätsdifferenz des zweiten Strahlprofils nicht zu groß ist. Eine Einstellung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls kann beispielsweise durch die Verwendung von in der

Strahlformungsoptik vorgesehenen Axicons erreicht werden, wie weiter unten näher beschrieben wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Strahlformungsoptik ausgebildet, ein zweites Strahlprofil des Heizstrahls zu erzeugen, bei dem eine minimale Intensität des Heizstrahls auf der Strahlachse des Heizstrahls mindestens 60% einer maximalen Intensität des Heizstrahls beträgt. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das zweite Strahlprofil eine nicht zu stark inhomogene Intensitätsverteilung aufweist, die in radialer Richtung zum äußeren Rand des Strahlprofils ansteigt, d.h. die Intensität des Heizstrahls sollte im Zentrum der Intensitätsverteilung nicht zu stark abfallen. Eine Intensitätsverteilung mit einem solchen Strahlprofil kann

beispielsweise durch die Wahl eines geeigneten Apexwinkels eines in der

Strahlformungsoptik vorgesehenen Axicons erzeugt werden.

Bei einer Ausführungsform weist die Strahlformungsoptik zur Erzeugung des zweiten, ringförmigen Strahlprofils mindestens ein Axicon auf. Das Axicon, welches beispielsweise aus Quarzglas gebildet sein kann, wandelt den kollimierten

Heizstrahl, der ein beispielsweise Gauß-förmiges Strahlprofil aufweist, in ein ringförmiges Strahlprofil mit einer durch den Apexwinkel des Axicons vorgegebenen Divergenz um. Der divergente Heizstrahl mit dem ringförmigen Strahlprofil kann nachfolgend an einem weiteren optischen Element der Strahlformungsoptik, beispielsweise an einer Linse, kollimiert werden.

Bei einer Weiterbildung weist die Strahlformungsoptik zwei Axicons auf, deren Abstand zur Veränderung der Intensitätsverteilung des zweiten Strahlprofils des Heizstrahls einstellbar ist. Bei dem ersten Axicon kann es sich um ein plankonvexes Axicon handeln, welches das ringförmige Strahlprofil erzeugt, wie dies weiter oben dargestellt ist. Bei dem zweiten Axicon kann es sich um ein plankonkaves Axicon handeln, welches insbesondere denselben Apexwinkel aufweisen kann wie das erste Axicon. Ein auf das erste Axicon kollimiert auftreffender Heizstrahl verläuft nach dem zweiten Axicon wieder kollimiert weist aber im Zentrum des Strahlprofils bzw. im Bereich der Strahlachse des Heizstrahls aber nahezu keine Intensität mehr auf. Durch die Veränderung des Abstandes zwischen den beiden Axicons kann die Größe bzw. der Durchmesser des Profilbereichs eingestellt werden, in dem der Heizstrahl praktisch keine Intensität mehr aufweist. Gleichzeitig kann auf diese Weise auch der Abstand zwischen der Strahlachse des Heizstrahls und einem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das Strahlprofil seine maximale Intensität aufweist, sowie die Intensitätsdifferenz zwischen einer minimalen Intensität und einer maximalen Intensität des Strahlprofils. Es versteht sich, dass die Strahlformungsoptik an Stelle von Axicons andere optische Elemente aufweisen kann, um das erste, beispielsweise gaußförmige Strahlprofil in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil umzuwandeln, beispielsweise in Form von diffraktiven optischen Elementen. Auch ist es möglich, die Veränderung der

Intensitätsverteilung des Strahiprofils in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls auf andere Weise zu realisieren, beispielsweise indem unterschiedliche diffraktive optische Elemente in den Strahlengang des Heizstrahls eingebracht werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Heizstrahlungsquelle ausgebildet, den Heizstrahl mit einer einstellbaren Leistung zu erzeugen. Die Einstellung der Leistung kann beispielsweise durch eine Einstellung des Stroms erfolgen, welcher der Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung des Heizstrahls zugeführt wird. Durch die

Einstellung der Leistung der Heizstrahlungsquelle kann alternativ oder zusätzlich zur Veränderung der Intensitätsverteilung des Strahlprofils ebenfalls eine Anpassung an eine flachere oder steilere Gauß-förmige Temperaturverteilung in dem Pulver erfolgen, die durch die Erwärmung des Pulvers von unten mittels der weiteren Heizeinrichtung erzeugt wird, um insgesamt in dem Bearbeitungsfeld eine möglichst homogene Temperaturverteilung in dem Pulver zu erzeugen.

Bei einer Ausführungsform weist die Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung der Heizstrahlung eine Mehrzahl von Laserdioden auf. Die Leistung von Laserdioden kann auf besonders einfache Weise eingestellt bzw. geregelt werden. Insbesondere kann es sich bei den Laserdioden um Pumpdioden handeln, die zum Pumpen z.B. von Festkörperlasern verwendet werden und die in großen Stückzahlen und somit kostengünstig verfügbar sind. Auch weisen Laserdioden eine gerichtete

Abstrahlcharakteristik auf, so dass sich Laserstrahlung, die von Laserdioden erzeugt wird, auf einfache Weise bündeln lässt. An Stelle von Laserdioden können in der Heizstrahlungsquelle ggf. auch Infrarotstrahler, insbesondere Quarzstrahler, verwendet werden. Die Abstrahlcharakteristik von Quarzstrahlern ist jedoch schlecht kontrollierbar, ganz im Gegensatz zu Laserstrahlung, die sich ideal formen und kontrolliert dorthin lenken lässt, wo sie benötigt wird.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Heizstrahlungsquelle eine Mehrzahl von Lichtleitfasern auf, wobei ein jeweiliges eintrittsseitiges Faserende einer Lichtleitfaser mit einer jeweiligen Laserdiode gekoppelt ist, und wobei austrittsseitige Faserenden der Lichtleitfasern ein Faserbündel zum Austritt des Heizstrahls bilden. In diesem Fall werden bevorzugt Laserdioden verwendet, die ohnehin bereits über eine Einkopplung in eine jeweilige Pump- bzw. Lichtleitfaser verfügen. Die Anzahl der Laserdioden kann beispielsweise so gewählt werden, dass eine Gesamtleistung der Heizstrahlungsquelle zwischen ca. 100 W und ca. 3000 W erzeugt wird. Die Laserdioden bzw. die Lichtleitfasern sind hierbei derart angeordnet, dass die Lichtleitfasern in einem Faserbündel zusammenlaufen, so dass das Bündel der austrittsseitigen Enden der Lichtleitfasern für die weitere Strahlführung des Heizstrahls als Bildpunkt bzw. als Bildfleck dienen. Dies erleichtert die Zuführung der Laserleistung zu der weiter oben beschriebenen Strahlformungsoptik, die eine räumliche Umorientierung der Laserleistung bzw. der Laserenergie des Heizstrahls vornimmt.

Das von den Laserdioden erzeugte Laserlicht tritt aus den in dem Faserbündel gebündelten Lichtleitfasern mit einem Divergenzwinkel aus, der kleiner oder gleich dem Akzeptanzwinkel der Lichtleitfasern ist. Der Heizstrahl kann von einem

optischen Element, beispielsweise von einer Sammellinse, kollimiert werden, die im Abstand ihrer Brennweite von den austrittseitigen Faserenden angeordnet ist, bevor dieser in die Strahlformungsoptik eintritt. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine

Sensoreinrichtung, insbesondere eine Kamera, zur ortsaufgelösten Erfassung einer Ist-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld. Die Beobachtung des Bearbeitungsfeldes kann durch den Strahlengang des Heizstrahls oder des

Bearbeitungsstrahls hindurch erfolgen, es ist aber grundsätzlich auch möglich, die Sensoreinrichtung an einer - nahezu beliebigen - anderen Stelle oberhalb bzw. seitlich versetzt zu dem Bearbeitungsfeld zu positionieren. Die Kamera, die insbesondere als Wärmebildkamera ausgebildet sein kann, ermöglicht es, die Ist- Temperaturverteilung ortsaufgelöst zu messen und somit Abweichungen von einer Soll-Temperaturverteilung zu erkennen, bei der es sich typischerweise um eine homogene Soll-Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld handelt.

Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsmaschine eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Einstellung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Strahlprofiis des Heizstrahls in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils und/oder in Abhängigkeit von der ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann sich die Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene in Abhängigkeit vom Baufortschritt, d.h. in Abhängigkeit von der Anzahl der bereits erzeugten Schichten des dreidimensionalen Bauteils sowie zusätzlich in Abhängigkeit von der Geometrie dieser Schichten zeitlich verändern.

Um diese zeitliche Veränderung zu berücksichtigen und möglichst zu jedem

Zeitpunkt des Herstellungsprozesses eine homogene Temperaturverteilung des

Pulvers in dem Bearbeitungsfeld zu erzeugen, kann eine Steuerung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Heizstrahls in

Abhängigkeit vom Baufortschritt erfolgen. Für die Steuerung kann auf Korrektur- Daten zurückgegriffen werden, die vor der Durchführung des Herstellungsprozesses empirisch oder durch Simulationen ermittelt wurden. Die Korrektur-Daten

berücksichtigen die zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsfeld bei der Heizung des Pulvers von der Unterseite sowie durch den Bearbeitungsstrahl beim Aufschmelzen des Pulvers, so dass die

Steuereinrichtung den zeitlichen Verlauf der Leistung und/oder die

Intensitätsverteilung des Heizstrahls derart einstellen kann, dass während des gesamten Herstellungsprozesses eine möglichst homogene Temperaturverteilung des Pulvers in der Bearbeitungsebene erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der mit Hilfe der Sensoreinrichtung instanten gemessenen, ortsabhängigen Ist-Temperaturverteilung in der Bearbeitungsebene eine Regelung der Leistung der Heizstrahlungsquelle und/oder der Intensitätsverteilung des Heizstrahls erfolgen.

Bei einer Weiterbildung ist die Steuer und/oder Regeleinrichtung ausgebildet, die Ist- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld auf eine (möglichst) homogene Soll- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld zu regeln, d.h. die

Temperaturverteilung sollte an jedem Ort des Bearbeitungsfeldes gleich groß sein. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer homogenen Temperaturverteilung eine Temperaturverteilung verstanden, bei welcher die Differenz zwischen einer maximalen Temperatur und einer minimalen Temperatur bei weniger als ca. 30 K liegt.

Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft der Bearbeitungsstrahl in der

Bestrahlungseinrichtung, insbesondere in der Scannereinrichtung, durch den

Heizstrahl hindurch. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann der Heizstrahl zusammen mit dem Bearbeitungsstrahl durch ein gemeinsames Fenster in die Prozesskammer eingestrahlt werden. Zu diesem Zweck ist es in der Regel erforderlich bzw. günstig, wenn sich der Strahlengang des Bearbeitungsstrahls und der Strahlengang des Heizstrahls überschneiden. Unabhängig davon, ob der Strahlengang des Heizstrahls sich mit dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls überschneidet oder nicht, kann der nach der

Strahlformungsoptik in der Regel koilimierte Heizstrahl beispielsweise mit Hilfe eines fokussierenden optischen Elements in einen Zwischenfokus fokussiert werden, so dass dieser divergent aus der Bestrahlungseinrichtung austritt und den Raum bis zur Bearbeitungsebene mit divergenter Ausbreitung zurücklegt. Im Bereich des

Zwischenfokus kann eine (enge) Blende angeordnet sein, durch die der Heizstahl verläuft, um den bzw. die Scanner-Spiegel der Scannereinrichtung vor der

räumlichen Strahlausbreitung des Heizstrahls zu schützen. Die Blende kann insbesondere zwischen zwei Scanner-Spiegeln der Scannereinrichtung angeordnet sein, die zur Ablenkung des Bearbeitungsstrahls verwendet werden. Der Abstand zwischen dem Zwischenfokus bzw. zwischen dem fokussierenden optischen Element und der Bearbeitungsebene ist so gewählt, dass der Rand des Strahlprofils des Heizstrahls annähernd dem Rand des Bearbeitungsfeldes entspricht. Mit anderen Worten entspricht der Durchmesser des Strahlprofils des Heizstrahls in der Bearbeitungsebene typischerweise im Wesentlichen dem Durchmesser des

Bearbeitungsfeldes.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Erwärmen eines Pulvers, umfassend: Erzeugen eines Heizstrahls mit einem ersten Strahlprofil, Umwandeln des ersten Strahlprofils des Heizstrahls in ein zweites, insbesondere ringförmiges Strahlprofil, sowie Erwärmen des Pulvers von oben durch Ausrichten des Heizstrahls mit dem zweiten Strahlprofil auf ein

Bearbeitungsfeld der Bearbeitungsmaschine, an dem eine Öffnung des Behälters gebildet ist. Bevorzugt umfasst das Verfahren das Erwärmen des Pulvers von unten durch Aufheizen des absenkbaren Trägers, auf den das Pulver aufgebracht ist.

Auch bei dem Verfahren erfolgt ein unterstützendes Erwärmen des Pulvers von oben in denjenigen Teilbereichen des Bearbeitungsfeldes, in denen sich das Pulver zu stark abkühlt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich hierbei

beispielsweise um einen ringförmigen, insbesondere um einen kreisringförmigen Teilbereich, handeln, in dem mit Hilfe des Heizstrahls mit dem ringförmigen

Strahlprofil dem Pulver zusätzliche Wärme zugeführt werden kann. Durch eine duale Heizung des Pulvers von unten und von oben verkürzt sich die Aufheizzeit für das Pulver.

Bei einer Variante umfasst das Verfahren: Verändern einer Leistung der Heizstrahls und/oder einer Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls in Abhängigkeit von einem Baufortschritt bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils und/oder in Abhängigkeit von einer ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann/können die Leistung des Heizstrahls bzw. einer Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung des Heizstrahls und/oder die Intensitätsverteilung des Strahlprofils des Heizstrahls in Abhängigkeit vom Baufortschritt derart eingestellt bzw. gesteuert werden, dass sich in dem Bearbeitungsfeld während der gesamten Dauer des

Herstellungsprozesses eine (annähernd) homogene Temperaturverteilung einstellt. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der (instantan) ortsaufgelöst erfassten Ist- Temperaturverteilung in dem Bearbeitungsfeld eine Regelung auf eine möglichst homogene Soll-Temperaturverteilung des Pulvers in dem Bearbeitungsfeld erfolgen. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 a eine schematische Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zum

Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulver mittels einer Bestrahlungseinrichtung, die eine Heizstrahlungsquelle zur Erzeugung eines Heizstrahls und eine Strahlformungsoptik aufweist, sowie eine schematische Darstellung analog zu Fig. 1a, bei welcher die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, eine Intensitätsverteilung eines Strahlprofils des Heizstrahls in radialer Richtung in Bezug auf die Strahlachse des Heizstrahls einzustellen bzw. zu verändern.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.

funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1a zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bearbeitungsmaschine 1 zum

Herstellen eines dreidimensionalen Bauteils 2 durch Bestrahlen von metallischem Pulver 3, das bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ein Pulverbett bildet, in welches das dreidimensionale Bauteil 2 bzw. dessen bereits fertiggestellter, in Fig. 1a dargestellter Volumenbereich eingebettet ist. Die Bearbeitungsmaschine 1 weist eine Bestrahlungseinrichtung 4 auf, die eine Laserquelle 5 in Form eines Faserlasers zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls 6 in Form eines Laserstrahls aufweist. Bei dem Laserstrahl handelt es sich im gezeigten Beispiel um einen Bearbeitungsstrahl 6 mit hoher Leistung, der für die Bestrahlung bzw. zum lokalen Aufschmelzen des Pulvers 3 verwendet wird. Der Bearbeitungsstrahl 6 durchläuft für die Bestrahlung des Pulvers 3 zunächst eine Fokussiereinrichtung 7 in Form einer Linse und tritt nachfolgend in eine

Scannereinrichtung 8 ein, die zwei Scannerspiegel 9a, 9b in Form von

Galvanometer-Spiegeln aufweist. Die Scannereinrichtung 8 dient zur Positionierung des Bearbeitungsstrahls 6 in einem Bearbeitungsfeld B der Scannereinrichtung 8, dessen Ausdehnung bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel im Wesentlichen der lateralen Erstreckung des Pulverbetts bzw. des Pulvers 3 entspricht. Das

Bearbeitungsfeld B, das mittels des Bearbeitungsstrahls 6 bzw. mittels der

Bestrahlungseinrichtung 4 bestrahlt werden kann, ist durch die maximale Auslenkung der beiden Scannerspiegel 9a, 9b begrenzt.

Wie in Fig. 1a ebenfalls zu erkennen ist, ist das Pulver 3 in einem nach oben offenen Behälter 10 (auch Bauzylinder genannt) angeordnet, der sich in einer

Prozesskammer 1 der Bearbeitungsmaschine 1 befindet. Zur Einstrahlung des

Bearbeitungsstrahls 6 in die Prozesskammer 11 weist die Wand der Prozesskammer 11 ein Fenster 13 auf. Ein Träger 12, der den Boden des Behälters 10 bildet, kann in vertikaler Richtung Z eines XYZ-Koordinatensystems abgesenkt sowie angehoben werden, indem auf den Träger 12 mittels eines nicht näher gezeigten Antriebs eingewirkt wird. Der Träger 12 kann einteilig ausgebildet sein, wie dies in Fig. 1a dargestellt ist, es ist aber abhängig von der Art des Pulvers 3 und des

Herstellungsprozesses auch möglich, einen mehrteiligen Träger 12 zu verwenden, der eine (nicht bildlich dargestellte) Grundplatte aufweist, die den Behälter 10 nach unten abschließt und an die sich ein kolbenförmiger Teil des Trägers 12 anschließt. Gegebenenfalls kann auf der Grundplatte eine ebenfalls nicht näher dargestellte

Bauplattform angebracht sein, auf der das dreidimensionale Bauteil 2 aufgebaut wird.

Das Bearbeitungsfeld B bildet einen Teilbereich einer Bearbeitungsebene E, die an der Oberseite einer Arbeitsplatte 14 gebildet ist, welche den Behälter 10 allseitig umgibt. Die Arbeitsplatte 14 ist so in der Prozesskammer 11 angeordnet, dass die Oberseite der Arbeitsplatte 14 in der Bearbeitungsebene E liegt. Zur Herstellung einer Schicht des dreidimensionalen Bauteils 2 wird die oberste Schicht des Pulvers 3 bzw. des Pulverbetts, die in dem Bearbeitungsfeld B in der Bearbeitungsebene E angeordnet ist, mit Hilfe des Bearbeitungsstrahls 6 bestrahlt. Hierbei wird das Pulver 3 selektiv in den Bereichen aufgeschmolzen und verfestigt, die dem Querschnitt der jeweils herzustellenden Schicht des dreidimensionalen Bauteils 2 entsprechen.

Da das Bearbeitungsfeld B, in dem das Pulver 3 aufgeschmolzen wird, bei der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 in konstantem Abstand zur

Scannereinrichtung 8 und somit zur fokussierenden Linse 7 verbleibt, welche den Bearbeitungsstrahl 6 in die Bearbeitungsebene E fokussiert, wird zum Auftragen einer neuen Schicht des Pulvers 3 der Träger 14 um die Dicke einer Pulverschicht abgesenkt, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet ist. Mit Hilfe einer nicht bildlich dargestellten Transporteinrichtung, die beispielsweise einen Schieber aufweisen kann, wird zusätzliches Pulver 3 aus einem ebenfalls in der Prozesskammer 11 angeordneten Vorratsbehälter 15 entnommen und entlang der Oberseite der

Arbeitsplatte 14 zu einer oberen Öffnung 10a des Behälters 10 transportiert, um dort eine weitere Pulverschicht zur Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 zu bilden, die nachfolgend mit dem Bearbeitungsstrahl 6 bestrahlt wird.

Für das Vorheizen bzw. das Erwärmen des Pulvers 3 weist die

Bearbeitungsmaschine 1 eine weitere Heizeinrichtung 16 auf, die den Träger 12 aufheizt und das Pulver 3 von unten erwärmt. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel weist die weitere Heizeinrichtung 16 zu diesem Zweck ein plattenförmiges

Heizelement 17 auf, das als Heizwiderstand ausgebildet ist und das in den Träger 12 eingepresst ist. Die weitere Heizeinrichtung 16 bildet in diesem Fall eine elektrische Widerstandsheizung, welche das Heizelement 17 mit einem Strom beaufschlagt, um das Pulver 3 möglichst homogen von unten zu beheizen. An Stelle einer weiteren Heizeinrichtung 16 in Form einer Widerstandsheizung kann auch eine andere Art von weiterer Heizeinrichtung 16 verwendet werden, die mindestens ein Heizelement aufweist, das mit dem Träger 12 in Kontakt steht. Beispielsweise können zu diesem Zweck auch Heizelemente verwendet werden, die von einer Flüssigkeit durchströmt werden.

Es hat sich gezeigt, dass die Heizung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 geometriebedingt in der Regel nicht zu einer homogenen

Temperaturverteilung des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B führt. Vielmehr führen Wärmeverluste, die u.a. durch Konvektion, durch Wärmeleitung über das metallische Pulver 3 direkt an die in der Regel gekühlte Wand des Behälters 10 sowie durch Strahlungsverluste an alle angrenzenden Oberflächen entstehen, zu einer mit zunehmender Pulverfüllhöhe (d.h. mit zunehmendem Abstand zwischen der

Oberseite des Pulverbetts an der oberen Öffnung 10a und dem Träger 12) zunehmend inhomogenen Wärmeverteilung in dem Behälter 10. Wird der Träger 12 in den typischerweise zylinderförmigen Behälter 10 abgesenkt, so bildet sich typischerweise in dem Pulver 3 eine Temperaturverteilung aus, die einer Gauß- förmigen Temperaturverteilung ähnelt, wobei eine maximale Temperatur

typischerweise auf der in vertikaler Richtung verlaufenden Zylinderachse des

Behälters 10 angenommen wird. Alternativ kann sich auch eine Temperaturverteilung ausbilden, die einer kegelförmigen, oder kegelstumpfförmigen Temperaturverteilung ähnelt.

In der Regel ist es für die Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 günstig, wenn das Pulver 3 eine möglichst homogene (Ist-)Temperaturverteilung Ti(r) (r: Abstand von der vertikal verlaufenden Mittelachse des Behälters 10) über das gesamte, im gezeigten Beispiel kreisförmige Bearbeitungsfeld B aufweist. Eine solche Temperaturverteilung Ti(r) kann mit Hilfe der weiter oben beschriebenen weiteren Heizeinrichtung 16, welche das Pulver 3 von unten erwärmt, in der Regel nicht erzeugt werden. Für die Erzeugung einer möglichst homogenen

Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B weist die

Bearbeitungsmaschine 1 , genauer gesagt die Bestrahlungseinrichtung 4, daher eine Heizeinrichtung 18 auf, die nachfolgend näher beschrieben wird. Die Heizeinrichtung 18 umfasst eine Heizstrahlungsquelle 19 zum Erzeugen eines Heizstrahls 20, der auf das Bearbeitungsfeld B ausgerichtet wird, um das Pulver 3 in dem Bearbeitungsfeld B von oben zu erwärmen. Der aus der Heizstrahlungsquelle 19 divergent austretende Heizstrahl 20 wird zunächst mittels einer Sammellinse 21 kollimiert. Wie in Fig. 1a ebenfalls zu erkennen ist, wird der Heizstrahl 20 von der Heizstrahlungsquelle 19 mit einem ersten Strahlprofil S1 erzeugt, dessen im gezeigten Beispiel Gauß-förmige Intensitätsverteilung in Bezug auf eine Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 mit Hilfe einer Strahlformungsoptik 22 in ein zweites, ringförmiges Strahlprofil S2 umgeformt wird. Bei dem ringförmigen Strahlprofil S2 ist das Intensitätsmaximum der radialen Intensitätsverteilung l(r) des Heizstrahls 20 von der Strahlachse 20a beabstandet ist, d.h. dieses befindet sich nicht wie bei dem ersten Strahiprofil S1 im Zentrum bzw. auf der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20.

Für die Umwandlung des ersten Strahlprofils S1 in das zweite Strahlprofil S2 weist die in Fig. 1a gezeigte Strahlformungsoptik 22 ein plankonvexes Axicon 23 auf, welches das erste Strahlprofil S1 des in die Strahlformungsoptik 22 kollimiert eintretenden Heizstrahls 20 in das zweite, ringförmige Strahiprofil S2 umwandelt. Ein Apexwinkel des plankonvexen Axicons 23 ist so gewählt, dass eine minimale

Intensität I IN des zweiten Strahlprofils S2 auf der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 bei nicht mehr als 60% einer maximalen Intensität IMAX des zweiten Strahlprofils S2 des Heizstrahls 20 liegt. Der Heizstrahl 20, der nach dem Axicon 23 divergent verläuft, wird mit Hilfe einer weiteren Sammellinse 24 kollimiert. Der kollimierte Heizstrahl 20 wird mit Hilfe einer Fokussierlinse 25 über einen Umlenkspiegel 26 auf einen Zwischenfokus F fokussiert, an dem eine Blende 27 angeordnet ist. Wie in Fig. 1a zu erkennen ist, ist die Blende 27 zwischen den beiden Scannerspiegeln 9a, 9b der Scannereinrichtung 8 angeordnet.

Nach dem Zwischenfokus F verläuft der Heizstrahl 20 divergent und trifft divergent auf das Bearbeitungsfeld B in der Bearbeitungsebene E, um das Pulver 3 zu erwärmen. Die Fokussierlinse 25 ist in einem solchen Abstand in Bezug auf die Bearbeitungsebene E angeordnet, dass der (Außen-)Durchmesser des Heizstrahls 20 im Wesentlichen dem Durchmesser der Öffnung 10a des Behälters 10 und somit dem Durchmesser des Bearbeitungsfeldes B entspricht. Der Bearbeitungsstrahl 6, der mit Hilfe der Scannerspiegel 9a, b über das Bearbeitungsfeld B bewegt wird, verläuft durch den Heizstrahl 20 hindurch bzw. der Bearbeitungsstrahl 6 und der Heizstrahl 20 überschneiden sich beim Austritt aus der Scannereinrichtung 8.

Durch das Bestrahlen des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B von oben mit Hilfe des Heizstrahls 20 mit dem ringförmigen Strahiprofil S2 wird das Pulver 3 zusätzlich in einem ringförmigen Bereich um die Mittelachse des Behälters 10 erwärmt. Auf diese Weise wird dem Pulver 3 in dem typischerweise am Rand des

Bearbeitungsfeldes B liegenden Teilbereich, in dem aus geometrischen Gründen eine erhöhte Wärmeabfuhr bei der Heizung des Pulvers 3 von unten erfolgt, gezielt Wärmeenergie zugeführt, um eine möglichst homogene, gleichförmige (Ist- )Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erzeugen.

Es hat sich gezeigt, dass bei der Erwärmung des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 die Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B während des Herstellungsprozesses in der Regel nicht zeitlich konstant ist, und zwar aus folgenden Gründen: Einerseits weisen die

Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2 eine gute Wärmeleitung auf, während das Pulver 3 selbst eine vergleichsweise geringe Wärmeleitung aufweist, so dass sich die Temperaturverteilung Ti(r) während der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils 2 mit dem Baufortschritt, d.h. mit der Anzahl der bereits hergestellten

Schichten des dreidimensionalen Bauteils 2, verändert. Andererseits wird der Träger 12 während des Herstellungsprozesses des dreidimensionalen Bauteils 2 abgesenkt, wodurch die Temperaturverteilung Ti(r) in dem Pulverbett und somit in dem

Bearbeitungsfeld B ebenfalls zeitlich variiert. Die im Wesentlichen Gauß-förmige Temperaturverteilung Ti(r), die aufgrund der Erwärmung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 in dem Bearbeitungsfeld B gebildet wird, kann daher zeitabhängig flacher oder steiler ausfallen. Um während des gesamten

Herstellungsprozesses eine im Wesentlichen homogene Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erhalten, weist die Bearbeitungsmaschine 1 , im gezeigten Beispiel die Bestrahiungseinrichtung 4, eine Steuer- und/oder

Regeleinrichtung 32 auf, die ausgebildet ist, die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 einzustellen bzw. während des Herstellungsprozesses derart zu verändern, dass durch die Erwärmung des Pulvers 3 von unten mit Hilfe der weiteren Heizeinrichtung 16 und durch die Erwärmung des Pulvers 3 von oben mit Hilfe der Heizeinrichtung 18 bzw. mit Hilfe des Heizstrahls 20 eine im Wesentlichen homogene

Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B erzeugt wird.

Im einfachsten Fall stellt die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 zu diesem Zweck die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 während des Herstellungsprozesses in Abhängigkeit von Daten über den zeitlichen Verlauf der Ist-Temperaturverteilung Ti(t) in dem Bearbeitungsfeld B, die in einem vorausgehenden Herstellungsprozess eines dreidimensionalen Bauteils 2 mit identischer Geometrie (aber ohne die Erwärmung des Pulvers 3 von oben) oder die aufgrund von Simulationen der Wärmeverteilung in dem Behälter 10 bzw. in dem Bearbeitungsfeld B ermittelt wurden. In diesem Fall kann auf eine Regelung der Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 verzichtet werden. Bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine

Sensoreinrichtung 31 in Form einer Wärmebild-Kamera auf, welche ausgebildet ist, die Ist-Temperaturverteilung Ti(r) des Pulvers 3 in dem Bearbeitungsfeld B instantan zu erfassen. Der Strahlengang der Sensoreinrichtung 31 wird zu diesem Zweck über einen teildurchlässigen Spiegel in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahls 6 eingekoppelt. Bei der Verwendung der Sensoreinrichtung 31 kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 die Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 in

Abhängigkeit von der ortsaufgelöst erfassten Ist-Temperaturverteilung Ti(r) einstellen, und zwar derart, dass das ringförmige Strahlprofil S2 der Heizeinrichtung 18 einen zu der gemessenen Ist-Temperaturverteilung Ti(r) im Wesentlichen inverses Intensitätsprofil l(r) aufweist, so dass die Ist-Temperaturverteilung Ti(r) auf eine Soll- Temperaturverteilung Ts(r) mit einer über das gesamte Bearbeitungsfeld B möglichst konstanten Temperatur geregelt werden kann.

Für die Einstellung der Leistung P der Heizstrahlungsquelle 19 kann die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 32 einen Strom einstellen, der einer Mehrzahl von

Laserdioden 28 zugeführt wird, die einen Teil der Heizstrahlungsquelle 19 bilden. Die Anzahl der Laserdioden 28 der Heizstrahlungsquelle 19 ist so gewählt, dass diese insgesamt eine maximale Leistung P des Heizstrahls 20 zwischen ca. 100 W und ca. 3000 W erzeugen können. Die Heizstrahlungsquelle 19 weist auch eine der Anzahl von Laserdioden 28 entsprechende Anzahl von Lichtleitfasern 29 auf. Ein

eintrittsseitiges Faserende 29a einer jeweiligen Lichtleitfaser 29 ist mit einer zugehörigen Laserdiode 28 gekoppelt, um die von der Laserdiode 28 erzeugte Laserstrahlung in die Lichtleitfaser 29 einzukoppeln. Austrittsseitige Faserenden 29b der Lichtleitfasern 29 sind benachbart zueinander in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und bilden ein Faserbündel 30 zur Bündelung der Laserstrahlung der Laserdioden 28 zu einem Fleck bzw. einem Bildpunkt, von dem der Heizstrahl 20 mit einem Divergenz-Winkel ausgeht, der kleiner ist als der Akzeptanzwinkel der

Lichtleitfasern 29. Wie weiter oben beschrieben wurde, wird der von den Faserenden 29a ausgehende Heizstrahl 20 von der Sammellinse 21 kollimiert, die im Abstand ihrer Brennweite f zu der Ebene mit den Faserenden 29b der Lichtleitfasern 29 angeordnet ist.

Um eine möglichst homogene Ist-Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B zu erzeugen, ist es günstig, wenn zusätzlich (oder ggf. alternativ) zur Leistung P der Heizstrahiungsquelle 19 auch die (radiale) Intensitätsverteilung l(r) des ringförmigen Strahlprofils S2 des Heizstrahls 20 verändert werden kann, das von der Strahlformungsoptik 22 erzeugt wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Strahlformungsoptik 22 verwendet werden, die wie in Fig. 1 b dargestellt ausgebildet ist. Die Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 b unterscheidet sich von der

Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a im Wesentlichen dadurch, dass an Stelle eines Axicons 23 zwei Axicons 23a, b verwendet werden: Das erste, plankonvexe Axicon 23a entspricht hierbei dem Axicon 23 der Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a, das zweite, plankonkave Axicon 23b ersetzt die Kollimationslinse 24 der

Strahlformungsoptik 22 von Fig. 1 a.

Das zweite Axicon 23b weist denselben Apexwinkel auf wie das erste Axicon 23a, so dass der vor dem ersten Axicon 23a kollimierte Heizstrahi 20 nach dem zweiten Axicon 23b ebenfalls kollimiert verläuft. Der Abstand L zwischen dem ersten Axicon 23a und dem zweiten Axicon 23b entlang der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 kann mit Hilfe mindestens einer nicht bildlich dargestellten Verschiebeeinrichtung verändert bzw. eingestellt werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine

Intensitätsdifferenz ΔΙ zwischen einer minimalen Intensität I IN auf der Strahlachse 20a des zweiten Strahlprofils 20 und einer maximalen Intensität I AX in einem typischerweise ringförmigen Strahlprofilbereich des zweiten Strahlprofils S2 eingestellt werden, der von der Strahlachse 20a beabstandet ist. Alternativ oder zusätzlich kann durch das Verändern des Abstands L zwischen den beiden Axicons 23a, 23b auch ein Abstand zwischen der Strahlachse 20a des Heizstrahls 20 und dem ringförmigen Strahlprofilbereich eingestellt werden, an dem das zweite

Strahlprofil S2 seine maximale Intensität IMAX aufweist.

Wie in Fig. 1 b durch einen Pfeil angedeutet ist, kann die Steuer- und/oder

Regeleinrichtung 32 für die Steuerung bzw. Regelung der Ist-Temperaturverteilung Ti(r) in dem Bearbeitungsfeld B auf eine möglichst homogene Soll- Temperaturvertei!ung Ts(r) auf die Strahlformungsoptik 22 einwirken, um den

Abstand L zwischen den beiden Axicons 23a, 23b und somit die Intensitätsverteilung l(r) des ringförmigen Strahlprofils S2 geeignet zu verändern. Wie in Fig. 1 b ebenfalls zu erkennen ist, weist die weitere Heizeinrichtung 16 zur Erwärmung des Pulvers 3 von unten eine Infrarot-Strahlungsquelle 17a,

beispielsweise in Form eines Quarzstrahlers, auf, um den Träger 12 an seiner Unterseite möglichst homogen zu erwärmen. Es versteht sich, dass die weitere Heizeinrichtung 16 zur Erwärmung des Pulvers 3 von unten auch andere Arten von Heizelementen aufweisen kann, die ggf. eine Temperaturverteilung Ti(r) in dem

Bearbeitungsfeld B erzeugen, die nicht Gauß-förmig ist. Auch in diesem Fall kann mit Hilfe der Heizeinrichtung 18 bzw. mit Hilfe der Strahlformungsoptik 22 ein

ringförmiges Strahlprofil S2 mit einer geeigneten, nicht zwingend

rotationssymmetrischen Intensitätsverteilung l(r) erzeugt werden, um das Pulver 3 gezielt an den Stellen zusätzlich zu erwärmen, an denen das Pulver 3 bei der Erwärmung von unten nicht ausreichend stark erwärmt wird bzw. sich zu stark abkühlt.