in-Fokus Spotvergrößerung in der Additiven Fertigung
Flexibilität trifft Präzision
QUICK FINDER
- AUF EINEN BLICK
- AM AUF DER SUCHE NACH HÖHERER PRODUKTIVITÄT
- SPOTVERGRÖSSERUNG FÜR SCHNELLE FLÄCHENBELICHTUNGEN
Defokus – Einfache Methode zur Spotvergrößerung mit schlechtem Fokusprofil
Multicore- und Ring-Mode-Laser – Alternative Strahlformen mit fixem Fokusdurchmesser
Zoom-Funktion – Stufenlose Spotvergrößerung bei optimaler Strahlqualität - KOMBINATION VON MULTICORE-LASER UND ZOOM FÜR MAXIAMLE FLEXIBILITÄT
- OPTIMALE STRAHLGEOMETRIE ERMÖGLICHT EFFIZIENTE AM-ANWENDUNGEN
AUF EINEN BLICK – ZOOMFUNKTION FÜR FLEXIBLE FOKUSVERGRÖSSERUNG
- Wirtschaftlichkeit ist Kernziel in der Additiven Fertigung (AM): Bei der Produktion großer Bauteile in der Additiven Fertigung werden effiziente Belichtungsprozesse benötigt, um Zeit und Kosten zu reduzieren. Eine dynamische Vergrößerung des Fokusdurchmessers kann hierbei helfen.
- Probleme bei herkömmlicher Spotvergrößerung mittels Defokus: Traditionelle Ansätze wie Defokus können das Fokusprofil negativ beeinflussen. Multicore-Laser bieten nur festgelegte Fokusgrößen. Dies begrenzt die Produktivität und Anpassungsfähigkeit, besonders wenn verschiedene Detailgrade im Bauteil benötigt werden.
- Optischer Zoom ermöglicht zuverlässige Fokusvergrößerung: Durch den Einsatz einer Zoom-Optik können Fokusdurchmesser stufenlos angepasst werden, ohne dass dadurch die Qualität der Abbildung leidet. Selbst komplexe Spotprofile wie Ring-Mode oder Top-Hat können so ohne Qualitätsverlust vergrößert werden.
- Kombination von Präzision und Effizienz durch Zoom und Multicore Laser: Durch den Einsatz der Zoom-Funktion können die Vorteile von Multicore-Lasern optimal genutzt und die Belichtung gezielt gesteuert werden. Dies ermöglichte kürzere Produktionszeiten, erhöht den Durchsatz und verbesserte die Endproduktqualität.
Additive fertigung AUF DER SUCHE NACH HÖHERER PRODUKTIVITÄt
Eine hohe Produktivität ist das A und O in jeder AM Anwendung. Das kennen Sie vermutlich aus eigener Erfahrung. Nur wenn Sie die nötigen Mengen produzieren und außerdem die Costs per Part niedrig halten können, ist die Additive Produktion eine echte Alternative zur konventionellen Fertigung.
Wenn Sie also gerade dabei sind, eine AM-Anlage neu auszulegen oder zu optimieren, dann sind Sie sicherlich auch auf der Suche nach Möglichkeiten die Belichtungszeit zu reduzieren. Denn insbesondere bei großen Bauteilen ist eine effizientere Belichtung ein wichtiger Weg den Output zu steigern.
SPOTVERGRÖSSERUNG FÜR SCHNELLERE FLÄCHENBELICHTUNg
Neben der naheliegenden Erhöhung der Belichtungsdynamik, ist ein vergrößerbarer Fokusdurchmesser eine gute Option für die Optimierung der Belichtungszeit. Ganz wie bei einem Malermeister, der für die großen Flächen einen anderen Pinsel verwendet als für die Details, bietet sich auch in der Additiven Fertigung ein größerer Spot zum Füllen von Bulkmaterial an. Denn damit generieren Sie mit jeder Überfahrt mehr Volumen und können so die Anzahl der Hatches und Umkehrpunkte deutlich reduzieren. Da Sie aber für die feinen Strukturen Ihres Bauteils weiterhin einen möglichst kleinen Spot benötigen, bietet sich ein dynamisch anpassbarer Fokusdurchmesser an.
Dafür haben Sie mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:
- Vergrößerung des Spotdurchmessers durch Defokussierung
- Strahlformung mit Adaptable Ring-Mode Lasern
- Spotvergrößerung mittels Zoom-Funktion
Die Vor- und Nachteile dieser Möglichkeiten wollen wir im Folgenden genauer betrachten.
Defokus – Einfache Methode zur Spotvergrößerung mit schlechtem Fokusprofil
Die einfachste Möglichkeit einer dynamischen Vergrößerung des Spotdurchmessers ist das Defokussieren des Lasers. Über eine z-Achse verschieben Sie die Fokuslage unterhalb der Bearbeitungsebene. Dadurch ergibt sich im Pulver ein vergrößerter Spotdurchmesser.
Vor allem bei vorfokussierenden Ablenkeinheiten bietet sich diese Möglichkeit der Spotvergrößerung an, da die nötige optische z-Achse bereits Teil des Scan-Systems ist. Allerdings führt das zu einer schlecht definierten Strahlform außerhalb des Fokus. Das führt dazu, dass der defokussierte Spot nicht seine ursprüngliche Energieverteilung behält, sondern verwischt (Abb.1). Während bei Single-Mode-Lasern das Strahlprofil weiterhin „gaußähnlich“ bleibt, ist das Verwischen bei spezielleren Strahlformen wie Flat-Top oder Ring-Mode Profilen deutlich zu erkennen.
Abbildung 1: Einfluss des Defokussierens auf verschiedene Strahlformen eines AFX-Lasers. Durch das Arbeiten außerhalb der Fokuslage ist der Spot nicht mehr scharf abgebildet. Das Strahlprofil verwischt. Während beim Single-Mode-Laser dieser Effekt schwächer ausgeprägt ist, geht bei alternativen Strahlformen wie Flat-Top oder Ring-Mode das Strahlprofil verloren.
Da die Leistungsverteilung im Spot stark von der Stärke des Defokus abhängt, müssen Sie für jeden Vergrößerungsfaktor die Verteilung experimentell bestimmen und die dazu gehörigen Prozessparameter eigens dafür entwickeln. Dieser zusätzliche Aufwand und die Tatsache, dass der vergrößerte Spot nur in einem verwischten Zustand zugänglich ist, limitiert die Einsatzmöglichkeiten des Defokus.
Multicore- und Ring-Mode-Laser – Alternative Strahlformen mit fixem Fokusdurchmesser
Eine weitere Option, um vergrößerte Spotdurchmesser zu erhalten sind Multicore Fasern oder Adaptable Ring-mode Laser. Der Faserkern liefert hier meist einen Single-mode Spot, während der Faserring einen donutförmigen Ring mit größerem Durchmesser erzeugt. Typischerweise können Sie die Leistung des Lasers zwischen Kern und Ring verteilen und so eine Vielzahl von Strahlformen erzeugen. Es kann flexibel zwischen Single-mode, Ring-mode oder Flattop Profil gewechselt werden. Dabei wird sowohl mit dem Kern als auch mit dem Ring im Fokus gearbeitet, was ein sauberes Strahlprofil sicherstellt.
Auf Grund ihres größeren Durchmessers bei Ring oder der Flattop Profil, eignen sich die anpassbaren Ring-mode Laser gut, um einen Geschwindigkeitsvorteil beim Füllen von großen Flächen zu realisieren. Allerdings ist das Vergrößerungsverhältnis zwischen Kern und Ring fest vorgegeben. Außerdem steht der große Spot nur als Ring oder Flat-Top zur Verfügung.
Wenn Sie also auch bei einem vergrößerten Spot die identische Leistungsverteilung im Fokus halten wollen oder mehr als einen Vergrößerungsfaktor wünschen, dann stößt ein anpassbarer Ring-mode an seine Grenzen.
Zoom-Funktion – Stufenlose Spotvergrößerung bei optimaler Strahlqualität
Mit einer Standardablenkeinheit ist eine stufenlose Vergrößerung jedoch nicht umzusetzen. Dafür benötigen Sie im Strahlengang ein zusätzliches bewegliches Teleskop, das als Erweiterung für Ihre vorfokussierenden Ablenkeinheit den Strahldurchmesser vor der Fokussierung variieren kann. Denn mit dem Strahldurchmesser ändert sich auch der minimale Spotdurchmesser im Fokus. So eine Zoom-Optik ermöglicht es also den Fokusdurchmesser kontinuierlich einzustellen, ohne dabei die Fokusebene zu verlassen. Auf diese Weise wird das ursprüngliche Strahlprofil weiterhin scharf abgebildet, was insbesondere bei speziellen Strahlformen wie Flattop und Donut wichtig ist.
Abbildung 2: Kaustik eines Single-Mode-Profils bei Vergrößerung mit Defokussierung und Zoom-Anordnung. Die Kaustikmessung veranschaulicht die unterschiedlichen Prinzipien der Strahlvergrößerung. An den Spotprofilen erkennt man, dass eine Vergrößerung mittels Zoom-Anordnung den Strahl nicht signifikant stört. Bei einer Vergrößerung mittels Defokussierung erkennt man, dass nur eine Verschiebung des Fokus in das Material hinein zu einigermaßen definierten Strahlformen führt.
Limitierend für den Vergrößerungsfaktor sind unter anderem die freie Apertur im Strahlengang, der vorhandene Platz in der Ablenkeinheit und die Leistungsverträglichkeit der Spiegel und Optiken. Im zugänglichen Vergrößerungsbereich können Sie aber eine stufenlose Vergrößerung umsetzen und den Spotdurchmesser flexibel auf Ihre Anwendung anpassen.
KOMBINATION VON MULTICORE-LASER UND ZOOM BIETET MAXIMALE FLEXIBILITÄT FÜR IHRE AM MASCHINE
Wenn Sie für Ihre AM-Maschine die maximale Flexibilität bei der Fokusparametrierung suchen, dann ist die Kombination aus Multicore- oder Ring-Mode-Laser und Zoom-Anordnung die Lösung der Wahl. Die vorteilhaften Strahlgeometrien eines Ring-Mode-Laser ermöglichen schnelle Belichtungsgeschwindigkeiten und geringe Ballingeffekte. Gleichzeitig stellt die Zoom-Funktion sicher, dass diese Strahlprofile auch bei vergrößerten Spotdurchmessern erhalten bleiben So kann auch das Hatchen mit großem Spotdurchmesser weiter auf Geschwindigkeit optimiert und die volle Performance einer modernen Ablenkeinheit ausgenutzt werden.
Abbildung 3: Unterschiedliche Strahlprofile eines AFX-Lasers bei einer Vergrößerung um 1,5 x mittels Zoom und Defokussierung. An den Strahlprofilen kann man deutlich erkennen, dass nur die Zoom-Anordnung (und für den Single-Mode zu einem gewissen Grad auch der Defokus unterhalb der nominellen Fokuslage) das ursprüngliche Strahlprofil erhält.
Bei einer Defokussierung verwischt die Strahlform deutlich. Die vorteilhaften Strahleigenschaften eines Ringoder Flat-Top-Profils sind in diesem Fall nicht mehr verfügbar.
OPTIMALE STRAHLGEOMETRIE ERMÖGLICHT EFFIZIENTE AM-ANWENDUNGEn
Die additiven Fertigungstechnologien haben sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Ein Aspekt für diesen Erfolg ist die Strahlgeometrie. Denn sie beeinflusst direkt die Präzision, Effizienz und Qualität des hergestellten Bauteils.
Durch den Einsatz von Technologien wie der Defokussierung, anpassbaren Ring-Mode-Lasern und der Zoom-Funktion können Hersteller den Belichtungsprozess präzise an die Anforderungen Ihrer spezifischen Anwendung anpassen. Und ein genau definierter und flexibel anpassbarer Laserfokus sorgt nicht nur für eine schnellere Produktion, sondern minimiert auch Fehler, die durch ungenaue Strahlformen entstehen können. Dies führt zu einer besseren Oberflächenqualität und weniger Nacharbeit.
In einer Branche, die ständig nach Möglichkeiten zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung sucht, bieten flexible Strahlformungslösungen einen klaren Vorteil. Ein adaptiver Strahl ermöglicht es, sowohl feine Details als auch große Flächen effektiv zu bearbeiten, was die Produktionszeiten verkürzt und den Durchsatz erhöht.
