DE102019131635A1 - MANUFACTURING DEVICE FOR MANUFACTURING ADDITIVES AND METHOD FOR MANUFACTURING ADDITIVES - Google Patents

MANUFACTURING DEVICE FOR MANUFACTURING ADDITIVES AND METHOD FOR MANUFACTURING ADDITIVES Download PDF

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DE102019131635A1
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Michael Totzeck
Erik Loopstra
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Carl Zeiss AG
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Carl Zeiss SMT GmbH
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Abstract

Es wird eine Herstellungsvorrichtung (10) zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem auf einem Substrat (50) angeordneten Ausgangsmaterial (40) mittels Schmelzen und/oder Sintern des Ausgangsmaterials (40) vorgeschlagen, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) eine Bestrahlungsvorrichtung (20) aufweist, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) eine Vielzahl von Strahlelementen (30-35) aufweist, wobei die Strahlelemente (30-35) jeweils zum Strahlen eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und/oder eines Elektronenstrahls auf das Ausgangsmaterial (40) ausgebildet sind, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) mit den Strahlelementen (30-35) zum Bewegen der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen über das Ausgangsmaterial (40) relativ zu dem Substrat (50) um eine Drehachse (80), wobei die Drehachse (80) die Oberfläche des Substrats (50) im Wesentlichen senkrecht schneidet drehbar ausgebildet ist, wobei die Ausrichtung der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen der Strahlelemente (30-35) relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung (20) im Wesentlichen unveränderlich ist, wobei die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstahlen unterschiedliche Abstände zu der Drehachse (80) aufweisen.A production device (10) is proposed for the additive production of an object from a starting material (40) arranged on a substrate (50) by melting and / or sintering the starting material (40), the production device (10) having an irradiation device (20) , wherein the irradiation device (20) has a plurality of beam elements (30-35), the beam elements (30-35) each being designed to radiate a light beam, in particular a laser beam, and / or an electron beam onto the starting material (40), wherein the irradiation device (20) with the beam elements (30-35) for moving the light beams and / or electron beams over the starting material (40) relative to the substrate (50) around an axis of rotation (80), the axis of rotation (80) being the surface of the substrate (50) is designed to be rotatable essentially intersects perpendicularly, the alignment of the light beams and / or electron beams of the beam Elements (30-35) relative to the irradiation device (20) is essentially invariable, the light beams and / or electron beams having different distances from the axis of rotation (80).

Description

Die Erfindung betrifft eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen und ein Verfahren zum additiven Herstellen.The invention relates to a manufacturing device for additive manufacturing and a method for additive manufacturing.

Stand der TechnikState of the art

Bei bekannten Herstellungsvorrichtungen zur additiven Herstellung eines Objekts ist die Aufbaugeschwindigkeit, d.h. die Menge des Materials, die pro Zeiteinheit dem Objekt hinzugefügt wird, gegenüber der Abtraggeschwindigkeit bei konventionellen subtraktiven Fertigungsverfahren (z.B. Drehen, Fräsen, Honen), d.h. die Abbaurate von Material pro Zeiteinheit, deutlich geringer. Dies trifft insbesondere zu, wenn das Material Metall umfasst. Bisher bekannte Verfahren z.B. das strahlbasierte Pulverbettverfahren weist das Problem auf, dass die Aufbaurate nicht sehr hoch ist und eine schlechte Reproduzierbarkeit durch Inhomogenitäten im Prozess vorhanden ist.In known manufacturing devices for additive manufacturing of an object, the build-up speed, i.e. the amount of material that is added to the object per unit of time, compared to the removal speed in conventional subtractive manufacturing processes (e.g. turning, milling, honing), i.e. the rate of material degradation per unit of time, much lower. This is particularly true when the material comprises metal. Methods known up to now, e.g. the jet-based powder bed method, have the problem that the build-up rate is not very high and there is poor reproducibility due to inhomogeneities in the process.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts bzw. ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aufzuzeigen, die bzw. das technisch einfach ist und eine hohe Aufbaurate aufweist.The invention is based on the object of providing a manufacturing device for additive manufacturing of an object or a method for additive manufacturing of an object, which is technically simple and has a high build-up rate.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 bzw. durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst.This object is achieved by the subject matter of independent claim 1 or by the subject matter of independent claim 12.

Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Herstellungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem auf einem Substrat angeordneten Ausgangsmaterial mittels Schmelzen und/oder Sintern des Ausgangsmaterials gelöst, wobei die Herstellungsvorrichtung eine Bestrahlungsvorrichtung aufweist, wobei die Bestrahlungsvorrichtung eine Vielzahl von Strahlelementen aufweist, wobei die Strahlelemente jeweils zum Strahlen eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und/oder eines Elektronenstrahls auf das Ausgangsmaterial ausgebildet sind, wobei die Bestrahlungsvorrichtung zum Bewegen der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen über das Ausgangsmaterial relativ zu dem Substrat um eine Drehachse, wobei die Drehachse die Oberfläche des Substrats im Wesentlichen senkrecht schneidet, drehbar ausgebildet ist, wobei die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstahlen unterschiedliche Abstände zu der Drehachse aufweisen.In particular, the object is achieved by a production device for the additive production of an object from a starting material arranged on a substrate by means of melting and / or sintering the starting material, the production device having an irradiation device, the irradiation device having a plurality of radiation elements, the radiation elements each for Beams of a light beam, in particular a laser beam, and / or an electron beam are formed on the starting material, the irradiation device for moving the light beams and / or electron beams over the starting material relative to the substrate about an axis of rotation, the axis of rotation being the surface of the substrate essentially cuts perpendicular, is designed to be rotatable, wherein the light beams and / or electron beams have different distances from the axis of rotation.

Ein Vorteil hiervon ist, dass die Herstellungsvorrichtung eine hohe Aufbaurate aufweist, d.h. eine große Menge bzw. Masse an Material dem Objekt pro Zeiteinheit hinzugefügt werden kann. Insbesondere wenn das Ausgangsmaterial Metall bzw. Metallpulver umfasst, kann die Herstellungsvorrichtung eine hohe Aufbaurate aufweisen. Zudem ist die Herstellungsvorrichtung technisch einfach aufgebaut. Die Vielzahl an Strahlelementen kann z.B. ein Dutzend, mehrere Dutzend, mehrere hundert oder ca. tausend Strahlelemente oder mehr aufweisen. Jedes Strahlelement kann eine Fokussieroptik aufweisen. Möglich ist auch, dass mehrere Strahlelemente eine gemeinsame Fokussieroptik aufweisen. Die Strahlelemente können von einer gemeinsamen Lichtquelle versorgt werden. So kann die Herstellungsvorrichtung z.B. bei einem Laser mit einer Leistung von 30 kW bei 1000 Lichtöffnungen durch jede der Lichtöffnungen einen Laserstrahl mit einer Leistung von 30 W abgeben. Die Leistung bzw. Intensität des Lichtstrahls des jeweiligen Strahlelements kann einzeln steuerbar sein. Die Bestrahlungsvorrichtung ist relativ zu dem Substrat beweglich, d.h. das Substrat mit dem Ausgangsmaterial kann aktiv bewegt werden und/oder die Bestrahlungsvorrichtung mit den Strahlelementen kann aktiv bewegt werden. Die Drehbewegung kann zudem kontinuierlich durchgeführt werden. Es muss kein Zurückfahren auf einen Startpunkt bzw. kein Hin- und Herfahren durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, beliebig gestaltete, insbesondere auch kubusförmige Elemente, herzustellen. Es ist möglich, dass keine Translationsbewegung der Bestrahlungsvorrichtung stattfindet, sondern ausschließlich eine Drehung.An advantage of this is that the manufacturing device has a high build-up rate, i.e. a large amount or mass of material can be added to the object per unit of time. In particular if the starting material comprises metal or metal powder, the production device can have a high build-up rate. In addition, the manufacturing device has a technically simple structure. The large number of radiating elements can have, for example, a dozen, several dozen, several hundred or about a thousand radiating elements or more. Each beam element can have focusing optics. It is also possible for several beam elements to have a common focusing optics. The radiating elements can be supplied by a common light source. For example, in the case of a laser with a power of 30 kW and 1000 light openings, the manufacturing device can emit a laser beam with a power of 30 W through each of the light openings. The power or intensity of the light beam of the respective radiating element can be individually controllable. The irradiation device is movable relative to the substrate, i.e. the substrate with the starting material can be actively moved and / or the irradiation device with the radiation elements can be actively moved. The rotary movement can also be carried out continuously. There is no need to go back to a starting point or to go back and forth. In addition, it is possible to produce elements of any desired design, in particular also cube-shaped elements. It is possible that there is no translational movement of the irradiation device, but only a rotation.

Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem auf einem Substrat angeordneten Ausgangsmaterials gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Drehen einer Bestrahlungsvorrichtung umfassend eine Vielzahl von Strahlelementen zum Strahlen eines Lichtstrahls und/oder eines Elektronenstrahls auf das Ausgangsmaterial um eine Drehachse zum Bewegen der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen über das Ausgangsmaterial relativ zu dem Substrat und Strahlen von Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen aus den Strahlelementen auf das Ausgangsmaterial, wobei die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstahlen unterschiedliche Abstände zu der Drehachse aufweisen, und wobei die Drehachse die Oberfläche des Substrats im Wesentlichen senkrecht schneidet.In particular, the object is also achieved by a method for additive manufacturing of an object from a starting material arranged on a substrate, the method comprising the following steps: rotating an irradiation device comprising a plurality of beam elements for irradiating a light beam and / or an electron beam onto the starting material an axis of rotation for moving the light beams and / or electron beams over the starting material relative to the substrate and beams of light beams and / or electron beams from the beam elements onto the starting material, the light beams and / or electron beams having different distances from the axis of rotation, and the axis of rotation intersects the surface of the substrate substantially perpendicularly.

Vorteilhaft hieran ist, dass das Verfahren eine hohe Aufbaurate aufweist. Dies bedeutet, dass mittels des Verfahrens eine große Menge bzw. Masse an Ausgangsmaterial dem Objektiv pro Zeiteinheit hinzugefügt werden kann. Das Ausgangsmaterial kann Metallpulver, Kunststoffpulver und/oder Keramikpulver umfassen oder daraus bestehen. Zudem ist das Verfahren technisch einfach. Insbesondere ist es möglich, dass keine Spiegel oder ähnliches bewegt bzw. gedreht werden, um die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen relativ zu dem Substrat bzw. dem Ausgangsmaterial zu bewegen. Die Vielzahl an Strahlelementen können von einer einzigen Lichtquelle bzw. Elektronenquelle versorgt werden. Die Leistung bzw. Intensität des Lichtstrahls des jeweiligen Strahlelements kann einzeln steuerbar sein. Die Bestrahlungsvorrichtung wird relativ zu dem Substrat bewegt, d.h. das Substrat mit dem Ausgangsmaterial kann aktiv bewegt werden und/oder die Bestrahlungsvorrichtung kann aktiv bewegt werden. Die Drehbewegung kann zudem kontinuierlich durchgeführt werden. Es muss kein Zurückfahren auf einen Startpunkt durchgeführt werden. Darüber hinaus ist es möglich, beliebig gestaltete, insbesondere auch kubusförmige Elemente, herzustellen. Es ist möglich, dass keine Translationsbewegung der Bestrahlungsvorrichtung bzw. Strahlelemente stattfindet, sondern ausschließlich eine Drehung.The advantage here is that the method has a high build-up rate. This means that a large amount or mass of starting material can be added to the objective per unit of time by means of the method. The starting material can comprise or consist of metal powder, plastic powder and / or ceramic powder. In addition, the process is technically simple. In particular, it is possible that no mirrors or the like are moved or rotated in order to move the light beams and / or electron beams relative to the substrate or the starting material. The A large number of radiation elements can be supplied by a single light source or electron source. The power or intensity of the light beam of the respective radiating element can be individually controllable. The irradiation device is moved relative to the substrate, ie the substrate with the starting material can be actively moved and / or the irradiation device can be actively moved. The rotary movement can also be carried out continuously. There is no need to go back to a starting point. In addition, it is possible to produce elements of any desired design, in particular also cube-shaped elements. It is possible that there is no translational movement of the irradiation device or beam elements, but only rotation.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Ausrichtung der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen der Strahlelemente relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung im Wesentlichen unveränderlich. Vorteilhaft hieran ist, dass die Herstellungsvorrichtung technisch besonders einfach und robust aufgebaut sein kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Herstellungsvorrichtung keine verstellbaren bzw. drehbaren Spiegel aufweist. Die Richtung, in die die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen die Bestrahlungsvorrichtung verlassen, kann relativ bzw. in Bezug zu der Bestrahlungsvorrichtung stets im Wesentlichen gleich sein.According to one embodiment of the production device, the alignment of the light beams and / or electron beams of the beam elements relative to the irradiation device is essentially invariable. The advantage of this is that the manufacturing device can be constructed in a technically particularly simple and robust manner. In particular, it is possible that the production device does not have any adjustable or rotatable mirrors. The direction in which the light beams and / or electron beams leave the irradiation device can always be essentially the same relative to or in relation to the irradiation device.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind die Strahlelemente nicht entlang einer Geraden angeordnet. Ein Vorteil hiervon ist, dass ein Balling des Ausgangsmaterials bzw. ein Zusammenfließen von verflüssigtem Ausgangsmaterials zu großen Teilen verhindert wird.According to one embodiment of the production device, the beam elements are not arranged along a straight line. One advantage of this is that balling of the starting material or a confluence of liquefied starting material is prevented to a large extent.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind die Strahlelemente derart angeordnet und ausgebildet, dass beim Drehen der Bestrahlungsvorrichtung mit den Strahlelementen um die Drehachse die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen entlang von Kreisen auf dem Ausgangsmaterial bewegt werden, wobei die Kreise zueinander äquidistant verlaufen. Hierdurch kann das Ausgangsmaterial besonders gleichmäßig bearbeitet werden.According to one embodiment of the manufacturing device, the beam elements are arranged and designed such that when the irradiation device with the beam elements is rotated about the axis of rotation, the light beams and / or electron beams are moved along circles on the starting material, the circles being equidistant from one another. As a result, the starting material can be processed particularly evenly.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind die Strahlelemente in der Bestrahlungsvorrichtung entlang einer archimedischen Spirale oder entlang von archimedischen Spiralen angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass in jede Fläche bzw. jedes Flächenelement des Ausgangsmaterials bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Bestrahlungsvorrichtung die gleiche mittlere Energie mittels der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen eingebracht wird. Insbesondere ist der zeitliche Abstand zwischen dem Bearbeiten eines ersten Bereichs des Ausgangsmaterials mit einem Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl aus einem ersten Strahlelement und dem Bearbeiten eines zu dem ersten Bereich unmittelbar benachbarten zweiten Bereichs des Ausgangsmaterials mit einem Lichtstrahle und/oder Elektronenstrahl aus einem zu dem ersten Strahlelement unmittelbar benachbarten Strahlelement stets gleich groß. Hierdurch wird ein Balling bzw. Zusammenschmelzen oder Zusammenlaufen des Ausgangsmaterials besonders zuverlässig verhindert.According to one embodiment of the production device, the radiation elements in the irradiation device are arranged along an Archimedean spiral or along Archimedean spirals. This ensures that the same average energy is introduced into each surface or each surface element of the starting material at a constant angular velocity of the irradiation device by means of the light beams and / or electron beams. In particular, the time interval between the processing of a first area of the starting material with a light beam and / or electron beam from a first beam element and the processing of a second area of the starting material immediately adjacent to the first area with a light beam and / or electron beam from one to the first is Radiant element immediately adjacent radiant element always the same size. This prevents the starting material from balling or melting together or converging in a particularly reliable manner.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung umfasst die Herstellungsvorrichtung ferner eine Druckerzeugungseinheit zum Zusammendrücken des Ausgangsmaterials, wobei die Druckerzeugungseinheit eine für die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen durchgängige Platte zum Aufliegen auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials und mindestens eine Luftdüse mit einem ersten Querschnitt zum Einblasen von Luft in das Ausgangsmaterial umfasst, wobei der erste Querschnitt kleiner als der Abstand zwischen dem Substrat und der Platte ist. Vorteilhaft hieran ist, dass das derart zusammengedrückte Ausgangsmaterial das teilhergestellte Objekt mechanisch stützen kann. Zudem wird durch den gegenüber dem ersten Querschnitt größeren Abstand zwischen dem Substrat und der Platte ein Wegblasen des (pulverförmigen) Ausgangsmaterials durch die Luft der Druckerzeugungseinheit technisch einfach vermieden. Durch die Druckerzeugungseinheit kann ein Kleben bzw. Haften des Ausgangsmaterials an der Platte sicher verhindert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Druck, der von der Platte auf das Ausgangsmaterial erzeugt wird, einen konstanten Wert aufweisen kann.According to one embodiment of the manufacturing device, the manufacturing device further comprises a pressure generating unit for compressing the starting material, wherein the pressure generating unit has a plate that is continuous for the light beams and / or electron beams to rest on the surface of the starting material and at least one air nozzle with a first cross section for blowing air into the Comprises starting material, wherein the first cross section is smaller than the distance between the substrate and the plate. The advantage of this is that the starting material compressed in this way can mechanically support the partially manufactured object. In addition, due to the greater distance between the substrate and the plate compared to the first cross section, blowing away the (powdery) starting material by the air of the pressure generating unit is technically simply avoided. The pressure generating unit can reliably prevent the starting material from sticking to the plate. Another advantage is that the pressure generated by the plate on the starting material can have a constant value.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung sind die Strahlelemente derart angeordnet, dass jeder Punkt des Substrats, insbesondere eines rechteckigen Substrats, von einem der Strahlelemente mit einem vorgegebenen Höchstabstand überstreichbar ist, wobei der Höchstabstand in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche des Substrats gemessen wird. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangsmaterial großflächig bearbeitbar ist. Zudem kann ein Objekt hergestellt werden, das besonders stabil ist.According to one embodiment of the production device, the radiation elements are arranged such that each point of the substrate, in particular a rectangular substrate, can be covered by one of the radiation elements with a predetermined maximum distance, the maximum distance being measured in a direction parallel to a surface of the substrate. The advantage here is that the starting material can be processed over a large area. In addition, an object can be produced that is particularly stable.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Bestrahlungsvorrichtung derart ausgebildet, dass die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen im Wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufen. Hierdurch kann die Herstellungsvorrichtung technisch besonders einfach ausgebildet sein.According to one embodiment of the production device, the irradiation device is designed in such a way that the light beams and / or electron beams run essentially parallel to the axis of rotation. As a result, the manufacturing device can be designed in a technically particularly simple manner.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Bestrahlungsvorrichtung derart ausgebildet, dass jeder Punkt des, insbesondere rechteckigen, Substrats, der sich innerhalb des Kreises befindet, entlang dem der radial äußerste Lichtstrahl und/oder Elektronenstahl geführt wird, mittels eines Lichtstrahls und/oder Elektronenstrahls bearbeitbar ist. Hierdurch kann das Ausgangsmaterial auf dem Substrat umfassend bearbeitet werden.According to one embodiment of the production device, the irradiation device is designed such that each point of the, in particular rectangular, substrate that is located within the circle, along which the radially outermost Light beam and / or electron beam is guided, can be processed by means of a light beam and / or electron beam. As a result, the starting material on the substrate can be processed comprehensively.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung weist das Substrat eine durchgehende Oberfläche ohne Aussparung auf. Vorteilhaft hieran ist, dass kein Ausgangsmaterial durch eine Aussparung herabfallen kann. Zudem können hierdurch Objekte mit einer Vielzahl unterschiedlicher Geometrien, z.B. auch kubusförmige Objekte, hergestellt werden.According to one embodiment of the production device, the substrate has a continuous surface without a cutout. The advantage here is that no starting material can fall down through a recess. In addition, objects with a large number of different geometries, e.g. also cube-shaped objects, can be produced.

Gemäß einer Ausführungsform der Herstellungsvorrichtung ist die Herstellungsvorrichtung zum Strahlen mehrerer Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen gleichzeitig auf das Ausgangsmaterial ausgebildet. Ein Vorteil hiervon ist, dass das Ausgangsmaterial besonders schnell bzw. eine große Fläche des Ausgangsmaterials in kurzer Zeit bearbeitet werden kann.According to one embodiment of the production device, the production device is designed to project several light beams and / or electron beams simultaneously onto the starting material. One advantage of this is that the starting material can be processed particularly quickly or a large area of the starting material can be processed in a short time.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Ausrichtung der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen der Strahlelemente relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung im Wesentlichen nicht verändert. Vorteilhaft hieran ist, dass das Verfahren mit einer technisch besonders einfach ausgebildeten Herstellungsvorrichtung ausgeführt werden kann.According to one embodiment of the method, the alignment of the light beams and / or electron beams of the beam elements is essentially not changed relative to the irradiation device. The advantage of this is that the method can be carried out with a technically particularly simple manufacturing device.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden beim Drehen der Bestrahlungsvorrichtung mit den Strahlelementen um die Drehachse die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen entlang von Kreisen auf dem Ausgangsmaterial bewegt, wobei die Kreise zueinander äquidistant verlaufen. Hierdurch wird das Ausgangsmaterial besonders gleichmäßig bearbeitet.According to one embodiment of the method, when the irradiation device with the beam elements is rotated about the axis of rotation, the light beams and / or electron beams are moved along circles on the starting material, the circles running equidistant from one another. As a result, the starting material is processed particularly evenly.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehgeschwindigkeit der Bestrahlungsvorrichtung relativ zum Substrat derart gewählt, dass nach dem Schmelzen eines ersten Bereichs des Ausgangsmaterials durch einen ersten Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl der erste Bereich des Ausgangsmaterials wieder erstarrt, bevor ein zu dem ersten Bereich unmittelbar benachbarter zweiter Bereich durch einen zweiten Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl geschmolzen wird. Vorteilhaft hieran ist, dass ein Balling bzw. Zusammenlaufen des geschmolzenen Ausgangsmaterials besonders zuverlässig verhindert wird.According to one embodiment of the method, the speed of rotation of the irradiation device relative to the substrate is selected such that after a first area of the starting material has melted by a first light beam and / or electron beam, the first area of the starting material solidifies again before a second area immediately adjacent to the first area Area is melted by a second light beam and / or electron beam. The advantage here is that balling or convergence of the molten starting material is particularly reliably prevented.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Bestrahlungsvorrichtung relativ zu dem Substrat derart bewegt, dass die Lichtstrahlen und/oder die Elektronenstrahlen zumindest Teile des Ausgangsmaterials zeitlich versetzt zueinander nur teilweise überschneidend überstreichen. Ein Vorteil hiervon ist, dass ein Objekt mit einer besonders hohen mechanischen Stabilität hergestellt werden kann. Insbesondere kann somit Ausgangsmaterial, das mit unterschiedlichen Strahlen erwärmt wird, miteinander verbunden werden.According to one embodiment of the method, the irradiation device is moved relative to the substrate in such a way that the light beams and / or the electron beams sweep over at least parts of the starting material, offset in time, only partially overlapping. One advantage of this is that an object with a particularly high mechanical stability can be produced. In particular, starting material that is heated with different beams can thus be connected to one another.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Ausgangsmaterial mittels einer Druckerzeugungseinheit zusammengedrückt, wobei eine für die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen durchgängige Platte der Druckerzeugungseinheit auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials aufliegt und wobei Luft durch mindestens eine Luftdüse der Druckerzeugungseinheit mit einem ersten Querschnitt in das Ausgangsmaterial geblasen wird, wobei der erste Querschnitt größer als der Abstand zwischen dem Substrat und der Platte ist. Vorteilhaft hieran ist, dass das Ausgangsmaterial das teilhergestellte Objekt mechanisch besonders gut stützen kann. Somit können besonders fragile Objekt hergestellt werden. Zudem kann der Druck auf das Ausgangsmaterial konstant gehalten werden. Darüber hinaus wird ein Anhaften von Ausgangsmaterial an der Platte sicher vermiden.According to one embodiment of the method, the starting material is compressed by means of a pressure generating unit, a plate of the pressure generating unit that is continuous for the light beams and / or electron beams resting on the surface of the starting material and air being blown through at least one air nozzle of the pressure generating unit with a first cross section into the starting material wherein the first cross section is greater than the distance between the substrate and the plate. The advantage of this is that the starting material can mechanically support the partially manufactured object particularly well. In this way, particularly fragile objects can be produced. In addition, the pressure on the starting material can be kept constant. In addition, the starting material is reliably prevented from sticking to the plate.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird Ausgangsmaterial auf das Substrat und/oder bereits vorhandenes Ausgangsmaterial auf dem Substrat mittels einer Düse aufgebracht, während die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen Ausgangsmaterial auf dem Material erwärmen. Vorteilhaft hieran ist, dass das Erwärmen des Ausgangsmaterials und das Aufbringen weiteren Ausgangsmaterials gleichzeitig durchgeführt werden kann. Somit kann der Prozess des additiven Herstellens ununterbrochen durchgeführt werden. Folglich werden besonders hohe Aufbauraten erreicht. Insbesondere bei einer sich drehenden Bestrahlungsvorrichtung kann permanent, d.h. ohne Unterbrechungen, dem Objekt Material hinzugefügt werden.According to one embodiment of the method, starting material is applied to the substrate and / or starting material already present on the substrate by means of a nozzle, while the light beams and / or electron beams heat the starting material on the material. The advantage here is that the heating of the starting material and the application of further starting material can be carried out at the same time. Thus, the process of additive manufacturing can be carried out without interruption. As a result, particularly high build-up rates are achieved. In particular with a rotating irradiation device, material can be added to the object permanently, i.e. without interruptions.

Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Substrat aktiv bewegt. Vorteilhaft hieran ist, dass die Bestrahlungsvorrichtung technisch einfach ausgebildet sein kann. Zudem weist das Substrat mit dem Ausgangsmaterial oftmals eine geringere Masse als die Bestrahlungsvorrichtung auf, so dass wenig Energie bzw. Kraft zur Bewegung des Substrats mit dem Ausgangsmaterial benötigt wird.According to one embodiment of the method, the substrate is actively moved. The advantage here is that the irradiation device can be designed in a technically simple manner. In addition, the substrate with the starting material often has a lower mass than the irradiation device, so that little energy or force is required to move the substrate with the starting material.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einer Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen

  • 1 eine Aufsicht auf Strahlelemente einer Bestrahlungsvorrichtung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
  • 2 eine Aufsicht auf Strahlelemente einer Bestrahlungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung;
  • 3 eine Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung der 2; und
  • 4 eine Aufsicht auf Strahlelemente einer Bestrahlungsvorrichtung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung.
Preferred embodiments emerge from the subclaims. The invention is explained in more detail below with reference to a drawing of an exemplary embodiment. Show here
  • 1 a plan view of beam elements of an irradiation device of a first embodiment of the manufacturing device according to the invention;
  • 2 a plan view of beam elements of an irradiation device of a second embodiment of the manufacturing device according to the invention;
  • 3rd Figure 3 is a cross-sectional view of the manufacturing apparatus of Figure 1 2 ; and
  • 4th a plan view of radiation elements of an irradiation device of a third embodiment of the production device according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.In the following description, the same reference numerals are used for identical and identically acting parts.

1 zeigt eine Aufsicht auf Strahlelemente 30-35 einer Bestrahlungsvorrichtung 20 einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung 10. 1 shows a plan view of radiating elements 30-35 an irradiation device 20th a first embodiment of the manufacturing device according to the invention 10 .

Die Herstellungsvorrichtung 10 ist zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem Ausgangsmaterial 40 ausgebildet. Die Herstellungsvorrichtung 10 ist ein sogenannter 3D-Drucker. Das Ausgangsmaterial 40 liegt üblicherweise in Pulverform vor. Das Ausgangsmaterial 40 kann Metall (Aluminium, Kobalt, Chrom, Titan), eine Metalllegierung (Hochleistungsstahl, Nickellegierungen) und/oder Kunststoff (Polyamid, Polystyrol, thermoplastische Elastomere, Polyetheretherketon) und/oder Keramik umfassen oder daraus bestehen.The manufacturing device 10 is for the additive manufacturing of an object from a starting material 40 educated. The manufacturing device 10 is a so-called 3D printer. The source material 40 is usually in powder form. The source material 40 can comprise or consist of metal (aluminum, cobalt, chromium, titanium), a metal alloy (high-performance steel, nickel alloys) and / or plastic (polyamide, polystyrene, thermoplastic elastomers, polyetheretherketone) and / or ceramics.

Die Herstellungsvorrichtung 10 baut das Objekt schichtweise auf. Hierzu wird eine Schicht Ausgangsmaterial 40 auf ein Substrat 50 (z.B. eine Platte) aufgetragen. Anschließend wird die Schicht teilweise mit einem Lichtstrahl und/oder einem Elektronenstrahl bestrahlt. Hierdurch wird das Ausgangsmaterial 40 teilweise geschmolzen oder gesintert. Es ist möglich, dass das Ausgangsmaterial 40 bereits auf eine Temperatur knapp (z.B. bis ca. 50 °C) unterhalb der Schmelztemperatur oder Sintertemperatur vorgeheizt bzw. vorgewärmt ist.The manufacturing device 10 builds up the object in layers. For this, a layer of starting material is used 40 on a substrate 50 (e.g. a plate) applied. The layer is then partially irradiated with a light beam and / or an electron beam. This becomes the starting material 40 partially melted or sintered. It is possible that the starting material 40 has already been preheated or preheated to a temperature just below the melting temperature or sintering temperature (e.g. up to approx. 50 ° C).

Das Objekt, das mittels der Herstellungsvorrichtung 10 hergestellt wird, kann eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann das Objekt die Außenform eines Kubus oder eines Quaders aufweisen.The object that is produced by means of the manufacturing device 10 can be of any shape. In particular, the object can have the outer shape of a cube or a parallelepiped.

Das Substrat 50 kann eine rechteckige Oberfläche aufweisen (ggf. mit abgerundeten Ecken). Das Substrat 50 kann insbesondere keine Aussparung in der Oberfläche aufweisen.The substrate 50 can have a rectangular surface (possibly with rounded corners). The substrate 50 can in particular not have a recess in the surface.

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 weist eine oder mehrere Lichtquellen 60, 61 oder ein oder mehrere Elektronenstrahlquellen auf. Die Lichtquelle 60, 61 kann eine Leistung im Bereich von ca. 10 kW bis ca. 30 kW aufweisen. Die Bestrahlungsvorrichtung 20 weist eine Vielzahl von Strahlelementen 30-35 auf, aus denen der Lichtstrahl und/oder der Elektronenstrahl in Richtung Ausgangsmaterial 40 austritt. Der Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl trifft im Wesentlichen senkrecht auf das Ausgangsmaterial 40 auf dem Substrat 50. Die Richtung bzw. Ausrichtung des Laserstrahls in Bezug auf die Bestrahlungsvorrichtung 20 kann im Wesentlichen nicht geändert werden. Somit ist es möglich, dass die Strahlelemente 30-35 jeweils keinen Spiegel oder ähnliches aufweisen. Die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen verlaufen parallel zueinander.The irradiation device 20th has one or more light sources 60 , 61 or one or more electron beam sources. The light source 60 , 61 can have a power in the range of approx. 10 kW to approx. 30 kW. The irradiation device 20th has a large number of radiating elements 30-35 on, from which the light beam and / or the electron beam in the direction of the starting material 40 exit. The light beam and / or electron beam strikes the starting material essentially perpendicularly 40 on the substrate 50 . The direction or alignment of the laser beam in relation to the irradiation device 20th essentially cannot be changed. Thus it is possible that the radiating elements 30-35 each do not have a mirror or the like. The light beams and / or electron beams run parallel to one another.

Der Lichtstrahl kann einen Laserstrahl umfassen oder der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl sein. Beispielsweise weist die Bestrahlungsvorrichtung 20 für jedes Strahlelement 30-35 eine Laserdiode auf. Es ist auch möglich, dass ein Lichtleiter oder mehrere Lichtleiter mit dem jeweiligen Strahlelement 30-35 der Bestrahlungsvorrichtung 20 verbunden sind und eine Lichtquelle 60, 61 oder mehrere Lichtquellen außerhalb der Bestrahlungsvorrichtung 20 angeordnet sind. Es ist auch möglich, dass der Lichtstrahl einen Infrarotlichtstrahl umfasst.The light beam can comprise a laser beam or the light beam can be a laser beam. For example, the irradiation device 20th for each radiating element 30-35 a laser diode on. It is also possible that one light guide or several light guides with the respective radiating element 30-35 the irradiation device 20th are connected and a light source 60 , 61 or several light sources outside the irradiation device 20th are arranged. It is also possible that the light beam comprises an infrared light beam.

Die Anzahl an Strahlelementen 30-35 kann bei einem Dutzend, mehreren Dutzend, bei Hundert, bei einigen Hundert, bei Tausend oder bei mehr als Tausend (z.B. 5000) liegen. Die Anzahl kann auch ca. 10.000 oder ca. 100.000 oder mehr als 100.000 betragen. Jedes der Strahlelemente 30-35 kann eine Fokussieroptik aufweisen, die den Strahl auf dem Ausgangsmaterial 40 fokussiert. Der Abstand zwischen den Strahlelementen 30-35 und dem Substrat 50 kann verändert werden, um einen schichtweisen Aufbau des Objekts zu ermöglichen.The number of radiating elements 30-35 can be a dozen, several dozen, a hundred, a few hundred, a thousand or more than a thousand (e.g. 5000). The number can also be around 10,000 or around 100,000 or more than 100,000. Each of the radiating elements 30-35 can have focusing optics that direct the beam onto the starting material 40 focused. The distance between the radiating elements 30-35 and the substrate 50 can be changed to allow the object to be built up in layers.

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 mit den Strahlelementen 30-35 wird relativ zu dem Substrat 50 und somit relativ zu dem Ausgangsmaterial 40, das auf dem Substrat 50 angeordnet ist, um eine Drehachse 80 gedreht. Dies bedeutet, dass entweder nur die Bestrahlungsvorrichtung 20, nur das Substrat 50 bewegt wird oder sowohl die Bestrahlungsvorrichtung 20 als auch das Substrat 50 bewegt werden. Durch die Bewegung überstreichen die Strahlelemente 30-35 einen Bereich auf dem Substrat 50 bzw. dem Ausgangsmaterial 40.The irradiation device 20th with the radiating elements 30-35 becomes relative to the substrate 50 and thus relative to the starting material 40 that is on the substrate 50 is arranged about an axis of rotation 80 turned. This means that either only the irradiation device 20th , just the substrate 50 is moved or both the irradiation device 20th as well as the substrate 50 be moved. The movement sweeps over the radiating elements 30-35 an area on the substrate 50 or the starting material 40 .

Die Strahlelemente 30-35 können einzeln oder zusammen mit anderen Strahlelementen 30-34 eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand verlässt ein Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl die Bestrahlungsvorrichtung 20 und strahlt auf das Ausgangsmaterial 40, das sich unterhalb des jeweiligen Strahlelements 30-35 befindet. Im ausgeschalteten Zustand verlässt kein Lichtstrahl und kein Elektronenstrahl die Strahlelement 30-35.The radiating elements 30-35 can be used individually or together with other radiating elements 30-34 switched on and off. When switched on, a light beam and / or electron beam leaves the irradiation device 20th and shines on the source material 40 that is located below the respective radiating element 30-35 is located. When switched off, no light beam or electron beam leaves the beam element 30-35 .

Der Strahl schmilzt oder sintert das Ausgangsmaterial 40 und fügt auf diese Weise dem Objekt Material hinzu und verbindet das Material mit dem teilhergestellten Objekt.The beam melts or sinters the starting material 40 and in this way adds material to the object and connects the material to the partially manufactured object.

Die Strahlelemente 30-35 werden während der Drehbewegung der Bestrahlungsöffnung über das Ausgangsmaterial 40 bzw. das Substrat 50 derart geöffnet und geschlossen, dass die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen einen vorgegebenen (Mindest-)Abstand zu dem jeweils unmittelbar benachbarten Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl oder zu den jeweils unmittelbar benachbarten Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen haben. Auf diese Weise wird das Aufschmelzen bzw. Erwärmen größerer zusammenhängender Teilbereiche des Ausgangsmaterials 40 verhindert. Somit wird ein sogenanntes Balling des Ausgangsmaterials 40 sicher verhindert. Der vorgegebene Abstand kann, auch während des Bestrahlens, z.B. abhängig von dem Ausgangsmaterial 40 und/oder der Schichtdicke des Ausgangsmaterials 40, die bearbeitet werden soll, verändert oder eingestellt werden.The radiating elements 30-35 are moved over the starting material during the rotation of the irradiation opening 40 or the substrate 50 opened and closed in such a way that the light beams and / or electron beams have a predetermined (minimum) distance from the respectively directly adjacent light beam and / or electron beam or from the respectively directly adjacent light beams and / or electron beams. In this way, the melting or heating of larger coherent partial areas of the starting material is possible 40 prevented. This results in a so-called balling of the starting material 40 safely prevented. The predetermined distance can, for example, depending on the starting material, even during the irradiation 40 and / or the layer thickness of the starting material 40 to be edited can be changed or set.

Die Schichtdicke, die von dem Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl bearbeitet bzw. verarbeitet wird, kann im Bereich von ca. 10 µm bis ca. 50 µm, z.B. bei ca. 25 µm, liegen. The layer thickness that is processed or processed by the light beam and / or electron beam can be in the range from approx. 10 µm to approx. 50 µm, e.g. approx. 25 µm.

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 benötigt keine Elemente zum Verändern der Position des Lichtstrahls und/oder Elektronenstrahls relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung 20, wie z.B. Spiegel etc., aufzuweisen, da die Bestrahlungsvorrichtung 20 als Ganzes relativ zu dem Ausgangsmaterial 40 bzw. dem Substrat 50 bewegt wird. Die Änderung der Position des Lichtstrahls bzw. des Elektronenstrahls wird allein durch die relative Bewegung des Substrats 50 in Bezug auf die Bestrahlungsvorrichtung 20 erreicht. Die Richtung, in die der Lichtstrahl bzw. der Elektronenstrahl die jeweilige Strahlelement 30-35 verlässt, ist stets parallel zu derselben Richtung. Diese Richtung verläuft typischerweise senkrecht zu der Oberfläche des Ausgangsmaterials 40 bzw. des Substrats 50.The irradiation device 20th does not require any elements for changing the position of the light beam and / or electron beam relative to the irradiation device 20th , such as mirrors, etc., to have as the irradiation device 20th as a whole relative to the starting material 40 or the substrate 50 is moved. The change in the position of the light beam or the electron beam is caused solely by the relative movement of the substrate 50 in relation to the irradiation device 20th reached. The direction in which the light beam or the electron beam moves the respective beam element 30-35 is always parallel to the same direction. This direction is typically perpendicular to the surface of the starting material 40 or the substrate 50 .

Während die Bestrahlungsvorrichtung 20 einen Teil des Ausgangsmaterials 40 bestrahlt, kann auf einen anderen Teil des Substrats 50 bereits neues Ausgangsmaterial 40 aufgebracht werden.While the irradiation device 20th part of the starting material 40 irradiated can be applied to another part of the substrate 50 already new source material 40 be applied.

2 zeigt eine Aufsicht auf Strahlelemente einer Bestrahlungsvorrichtung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellungsvorrichtung. 3 zeigt eine Querschnittsansicht der Herstellungsvorrichtung der 2. 2 shows a plan view of beam elements of an irradiation device of a second embodiment of the production device according to the invention. 3rd FIG. 13 shows a cross-sectional view of the manufacturing apparatus of FIG 2 .

Bei der zweiten Ausführungsform sind die Strahlelemente 30-35 in der Aufsicht, d.h. einer Sicht von dem Ausgangsmaterial 40 in Richtung der Bestrahlungsvorrichtung 20, entlang archimedischer Spiralen angeordnet. Die Strahlelemente 30-35 sind derart angeordnet, dass beim Drehen der Bestrahlungsvorrichtung um die Drehachse 80 jedes der Strahlelemente 30-35 einen Kreis beschreibt. Die Kreise der Strahlelemente 30-35 sind äquidistant zueinander. Der Abstand zwischen der Drehachse 80 und dem innersten Strahlelemente 35 ist genauso groß wie der Abstand zwischen den Kreisen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Ortsauflösung erreicht.In the second embodiment, the radiating elements are 30-35 in the top view, ie a view of the source material 40 in the direction of the irradiation device 20th , arranged along Archimedean spirals. The radiating elements 30-35 are arranged in such a way that when the irradiation device is rotated about the axis of rotation 80 each of the radiating elements 30-35 describes a circle. The circles of the radiating elements 30-35 are equidistant from one another. The distance between the axis of rotation 80 and the innermost radiating element 35 is the same as the distance between the circles. In this way, a uniform spatial resolution is achieved.

Die Strahlelemente 30-35 sind bei einem polaren Koordinatensystem, das auf der Oberfläche des Substrats 50 verläuft, in gleichgroßen Azimutalwinkelabständen angeordnet. Dies bedeutet, dass der Azimutalwinkel des k-ten Strahlelements Φ(k)= c1*k beträgt, wobei Φ der Azimutalwinkel ist und c1 ein vorgegebener Wert ist. Hierdurch wird die Bedingung gleichmäßiger Zeitabstände erreicht. Dies bedeutet, dass zwischen dem Bestrahlen eines ersten Bereichs des Ausgangsmaterials 40 mit einem Lichtstrahl und/oder mit einem Elektronenstrahl eines ersten Strahlelements 30 und einem nachfolgenden Bestrahlen eines zweiten Bereichs des Ausgangsmaterials 40 mit einem Lichtstrahl und/oder mit einem Elektronenstrahl eines zweiten zu dem ersten Strahlelement radial unmittelbar benachbarten Strahlelements 31 eine vorbestimmte Zeit vergangen sein sollte, um sogenanntes balling zu verhindern. Der erste Bereich muss bis zum Zeitpunkt des Bestrahlens mit dem zweiten Strahlelement wieder abgekühlt bzw. erstarrt sein, so dass ein Zusammenlaufen bzw. ein balling sicher verhindert wird. Diese notwendige Zeit ist für alle radial unmittelbar benachbarten Paare von Strahlelementen 30, 31 bei der Anordnung der Strahlelemente 30-35 entlang archimedischer Spiralen gleich groß. Da ein Zeitabstand bei einer sich drehenden bzw. rotierenden Bestrahlungsvorrichtung äquivalent zu einem Drehwinkel ist, ist der Drehwinkel bzw. der Winkelabstand (im Azimutalwinkel) der Strahlelemente 30-35 zueinander äquidistant.The radiating elements 30-35 are at a polar coordinate system that is on the surface of the substrate 50 runs, arranged at the same azimuthal angle intervals. This means that the azimuthal angle of the k-th beam element is Φ (k) = c 1 * k, where Φ is the azimuthal angle and c1 is a predetermined value. This achieves the condition of uniform time intervals. This means that between the irradiation of a first area of the starting material 40 with a light beam and / or with an electron beam of a first radiating element 30th and subsequently irradiating a second area of the starting material 40 with a light beam and / or with an electron beam of a second beam element radially immediately adjacent to the first beam element 31 a predetermined time should have passed in order to prevent so-called balling. The first area must have cooled down or solidified again by the time of irradiation with the second radiating element, so that confluence or balling is reliably prevented. This necessary time is for all radially immediately adjacent pairs of radiating elements 30th , 31 in the arrangement of the radiating elements 30-35 the same size along Archimedean spirals. Since a time interval in a rotating or rotating irradiation device is equivalent to an angle of rotation, the angle of rotation or the angular distance (in the azimuthal angle) of the beam elements is 30-35 equidistant from one another.

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 wird relativ zu dem Ausgangsmaterial 40 bzw. relativ zu dem Substrat 50 um eine Drehachse 80 gedreht. Hierbei kann nur die Bestrahlungsvorrichtung 20, nur das Substrat 50 mit dem Ausgangsmaterial 40 oder sowohl die Bestrahlungsvorrichtung 20 als auch das Substrat 50 mit dem Ausgangsmaterial 40 um die Achse gedreht werden. Die Drehachse 80 verläuft durch den Mittelpunkt der Bestrahlungsvorrichtung 20 und/oder durch den Mittelpunkt des Substrats 50. Die Drehachse 80 verläuft im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrats 50 bzw. zur Oberfläche des Ausgangsmaterials 40.The irradiation device 20th becomes relative to the starting material 40 or relative to the substrate 50 around an axis of rotation 80 turned. Only the irradiation device can do this 20th , just the substrate 50 with the source material 40 or both the irradiation device 20th as well as the substrate 50 with the source material 40 rotated around the axis. The axis of rotation 80 runs through the center of the irradiation device 20th and / or through the center of the substrate 50 . The axis of rotation 80 runs essentially perpendicular to the surface of the substrate 50 or to the surface of the starting material 40 .

Die Bestrahlungsvorrichtung 20 bedeckt das Substrat 50 fast vollständig (z.B. zu 90%) oder vollständig. In 3 bedeckt die Bestrahlungsvorrichtung 20 die Fläche des Substrats 50 im Wesentlichen vollständig.The irradiation device 20th covers the substrate 50 almost completely (e.g. 90%) or completely. In 3rd covers the irradiation device 20th the area of the substrate 50 essentially completely.

Die Strahlelemente 30-35 werden derart eingeschaltet und ausgeschaltet bzw. geöffnet und geschlossen, dass die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen einen vorgegebenen Mindestabstand zueinander aufweisen, um ein großflächiges Aufschmelzen des Ausgangsmaterials 40 und das Zusammenlaufen von geschmolzenem Ausgangsmaterial 40 (sogenanntes Balling) zu vermeiden.The radiating elements 30-35 are switched on and off or opened and closed in such a way that the light beams and / or electron beams have a predetermined minimum distance from one another in order to allow the starting material to be melted over a large area 40 and the confluence of molten feedstock 40 (so-called balling) to avoid.

Während des Bestrahlens des Ausgangsmaterials 40 mit den Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen kann zeitgleich weiteres Ausgangsmaterial 40 auf das Substrat 50 bzw. die bereits bestehende Schicht(en) an Ausgangsmaterial 40 auf dem Substrat 50 aufgebracht werden. Hierdurch kann der Prozess des Bestrahlens von Ausgangsmaterial 40 mittels der Bestrahlungsvorrichtung 20 ununterbrochen durchgeführt werden.During the irradiation of the starting material 40 with the light beams and / or electron beams, further starting material can be used at the same time 40 on the substrate 50 or the already existing layer (s) of starting material 40 on the substrate 50 be applied. This allows the process of irradiating starting material 40 by means of the irradiation device 20th be carried out continuously.

Das Ausgangsmaterial 40 kann beispielsweise mit einem Spiralverteiler oder ähnliches aufgebracht werden. Eine Lippe kann überflüssiges Ausgangsmaterial 40 wegschieben, so dass eine vorgegebene Schichtdicke an (neu aufgetragenen) Ausgangsmaterial 40 verbleibt.The source material 40 can be applied, for example, with a spiral distributor or the like. A lip can be superfluous starting material 40 Push away so that a specified layer thickness of (newly applied) starting material 40 remains.

Es ist möglich, dass das Ausgangsmaterial 40 durch eine Druckerzeugungseinheit unter Druck gesetzt wird bzw. zusammengedrückt wird. Hierzu kann das Ausgangsmaterial 40 mit einer gedrehten bzw. gegenüber dem Substrat 50 verkippten Platte, auf der das Ausgangsmaterial 40 im Wesentlichen nicht oder kaum haftet, gegen das Substrat 50 gedrückt werden. Die Druckerzeugungseinheit kann ein poröses Luftlager aufweisen. Die Druckerzeugungseinheit weist eine Platte auf, die auf die Oberfläche des Ausgangsmaterials drückt. Die Platte ist für die Lichtstrahlen und/oder die Elektronenstrahlen im Wesentlichen durchlässig. Zudem weist die Druckerzeugungseinheit eine Luftdüse zum Strömenlassen von Luft in das Ausgangsmaterial auf, wobei der Abstand zwischen der Platte und dem Substrat größer, insbesondere deutlich größer, z.B. mindestens um den Faktor 2, als der Durchmesser der Luftdüse bzw. des Austritts der Luftdüse ist. Die Druckerzeugungseinheit kann eine Vielzahl von Luftdüsen aufweisen. Durch die eingeblasene Luft wird ein Anhaften von Ausgangsmaterial an der Platte sicher verhindert. Auf diese Weise kann ein vorgegebener Druck, mit dem das Ausgangsmaterial 40 (zusammen)gedrückt wird eingestellt werden. Zugleich wird das pulverförmige Ausgangsmaterial 40 durch die Luft des Luftlagers nicht weggeblasen, da die Luft mit einer geringen Geschwindigkeit austritt.It is possible that the starting material 40 is pressurized or compressed by a pressure generating unit. For this purpose, the starting material 40 with a rotated or opposite the substrate 50 tilted plate on which the starting material 40 essentially not or hardly adheres to the substrate 50 be pressed. The pressure generating unit can have a porous air bearing. The pressure generating unit has a plate which presses on the surface of the starting material. The plate is essentially transparent to the light beams and / or the electron beams. In addition, the pressure generating unit has an air nozzle for allowing air to flow into the starting material, the distance between the plate and the substrate being larger, in particular significantly larger, e.g. at least by a factor of 2, than the diameter of the air nozzle or the outlet of the air nozzle. The pressure generating unit can have a plurality of air nozzles. The blown air reliably prevents the starting material from sticking to the plate. In this way, a predetermined pressure can be applied to the starting material 40 (together) will be set. At the same time the powdery starting material is used 40 not blown away by the air of the air bearing as the air exits at a slow speed.

Durch das Zusammendrücken des Ausgangsmaterials 40 kann das Ausgangsmaterial 40 das teilhergestellte Objekt mechanisch stützen. Auf diese Weise können besonders fragliche Objekte hergestellt werden.By compressing the starting material 40 can be the source material 40 mechanically support the partially manufactured object. In this way particularly questionable objects can be made.

Das poröse Material des Luftlagers kann Keramik, Kupfer und/oder Kohlenstoff umfassen oder daraus bestehen. Das Luftlager bzw. die Luft des Luftlagers kann auf eine Temperatur knapp unterhalb der Schmelztemperatur und/oder Sintertemperatur des Ausgangsmaterials 40 erwärmt bzw. erhitzt werden, um die thermischen Zustände des Ausgangsmaterials 40 besser kontrollieren zu können.The porous material of the air bearing can comprise or consist of ceramic, copper and / or carbon. The air bearing or the air of the air bearing can be brought to a temperature just below the melting temperature and / or sintering temperature of the starting material 40 heated or heated to the thermal states of the starting material 40 to be able to control better.

4 zeigt eine Variante, die sich durch ein zusätzliches abbildendes System 80 unterscheidet. Die endliche Divergenz der Strahlelemente 30-35 auch bei Verwendung einer Fokussieroptik für jedes einzelne Strahlelement begrenzt den maximal möglichen Arbeitsabstand zwischen den Strahlelementen 30-35 und dem Ausgangsmaterial 40. Durch ein abbildendes System 80 kann eine Vergrößerung des Arbeitsabstandes erreicht werden. Das abbildende System 80 bildet mehrere der Strahlelemente 30-35, insbesondere alle Strahlelemente, gemeinsam ab, da durch die dann mögliche größere Apertur eine bessere Abbildungsqualität und damit ein kleinerer Fokus auf dem Ausgangsmaterial 40 erreicht werden kann. 4th shows a variant that is characterized by an additional mapping system 80 differs. The finite divergence of the radiating elements 30-35 even when using focusing optics for each individual beam element, the maximum possible working distance between the beam elements is limited 30-35 and the starting material 40 . Through an imaging system 80 the working distance can be increased. The imaging system 80 forms several of the radiating elements 30-35 , in particular all radiating elements, together, since the larger aperture then possible results in a better image quality and thus a smaller focus on the starting material 40 can be reached.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
HerstellungsvorrichtungManufacturing device
2020th
BestrahlungsvorrichtungIrradiation device
30-3530-35
StrahlelementRadiating element
4040
AusgangsmaterialSource material
5050
SubstratSubstrate
60, 6160, 61
LichtquelleLight source
7070
BewegungsrichtungDirection of movement
8080
DrehachseAxis of rotation

Claims (19)

Herstellungsvorrichtung (10) zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem auf einem Substrat (50) angeordneten Ausgangsmaterial (40) mittels Schmelzen und/oder Sintern des Ausgangsmaterials (40), wobei die Herstellungsvorrichtung (10) eine Bestrahlungsvorrichtung (20) aufweist, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) eine Vielzahl von Strahlelementen (30-35) aufweist, wobei die Strahlelemente (30-35) jeweils zum Strahlen eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und/oder eines Elektronenstrahls auf das Ausgangsmaterial (40) ausgebildet sind, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) 30-35) zum Bewegen der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen über das Ausgangsmaterial (40) relativ zu dem Substrat (50) um eine Drehachse (80), wobei die Drehachse (80) die Oberfläche des Substrats (50) im Wesentlichen senkrecht schneidet, drehbar ausgebildet ist, wobei die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstahlen unterschiedliche Abstände zu der Drehachse (80) aufweisen.Production device (10) for the additive production of an object from a starting material (40) arranged on a substrate (50) by melting and / or sintering the starting material (40), the production device (10) having an irradiation device (20), the irradiation device (20) has a plurality of beam elements (30-35), the beam elements (30-35) each being designed to radiate a light beam, in particular a laser beam, and / or an electron beam onto the starting material (40), the irradiation device ( 20) 30-35) for moving the light beams and / or electron beams over the starting material (40) relative to the substrate (50) about an axis of rotation (80), the The axis of rotation (80) intersects the surface of the substrate (50) substantially perpendicularly, is designed to be rotatable, the light beams and / or electron beams being at different distances from the axis of rotation (80). Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Ausrichtung der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen der Strahlelemente (30-35) relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung (20) im Wesentlichen unveränderlich ist.Manufacturing device (10) according to Claim 1 wherein the alignment of the light beams and / or electron beams of the beam elements (30-35) relative to the irradiation device (20) is essentially invariable. Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Strahlelemente (30-35) nicht entlang einer Geraden angeordnet sind.Manufacturing device (10) according to Claim 1 wherein the radiating elements (30-35) are not arranged along a straight line. Herstellungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlelemente (30-35) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass beim Drehen der Bestrahlungsvorrichtung (20) mit den Strahlelementen (30-35) um die Drehachse (80) die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen entlang von Kreisen auf dem Ausgangsmaterial (40) bewegt werden, wobei die Kreise zueinander äquidistant verlaufen.Manufacturing device (10) according to Claim 1 or 2 , the beam elements (30-35) being arranged and designed in such a way that when the irradiation device (20) is rotated with the beam elements (30-35) around the axis of rotation (80), the light beams and / or electron beams along circles on the starting material ( 40) are moved, with the circles running equidistant from one another. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlelemente (30-35) in der Bestrahlungsvorrichtung (20) entlang einer archimedischen Spirale oder entlang von archimedischen Spiralen angeordnet sind.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the radiation elements (30-35) are arranged in the irradiation device (20) along an Archimedean spiral or along Archimedean spirals. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Druckerzeugungseinheit zum Zusammendrücken des Ausgangsmaterials (40), wobei die Druckerzeugungseinheit eine für die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen durchgängige Platte zum Aufliegen auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials und mindestens eine Luftdüse mit einem ersten Querschnitt zum Einblasen von Luft in das Ausgangsmaterial umfasst, wobei der erste Querschnitt kleiner als der Abstand zwischen dem Substrat und der Platte ist.The manufacturing apparatus (10) according to any one of the preceding claims, further comprising a pressure generating unit for compressing the starting material (40), wherein the pressure generating unit comprises a plate that is continuous for the light beams and / or electron beams for resting on the surface of the starting material and at least one air nozzle with a first cross section for blowing air into the starting material, wherein the first cross section is smaller than the distance between the substrate and the plate. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlelemente (30-35) derart angeordnet sind, dass jeder Punkt des Substrats (50), insbesondere eines rechteckigen Substrats (50), von einem der Strahlelemente (30-35) mit einem vorgegebenen Höchstabstand überstreichbar ist, wobei der Höchstabstand in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche des Substrats (50) gemessen wird.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the radiation elements (30-35) are arranged such that each point of the substrate (50), in particular a rectangular substrate (50), of one of the radiation elements (30-35) with a predetermined maximum distance can be covered, the maximum distance being measured in a direction parallel to a surface of the substrate (50). Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen im Wesentlichen parallel zur Drehachse (80) verlaufen.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the irradiation device (20) is designed such that the light beams and / or electron beams run essentially parallel to the axis of rotation (80). Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) derart ausgebildet ist, dass jeder Punkt des, insbesondere rechteckigen, Substrats, der sich innerhalb des Kreises befindet, entlang dem der radial äußerste Lichtstrahl und/oder Elektronenstahl geführt wird, mittels eines Lichtstrahls und/oder Elektronenstrahls bearbeitbar ist.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the irradiation device (20) is designed such that each point of the, in particular rectangular, substrate which is located within the circle along which the radially outermost light beam and / or electron beam is guided, can be processed by means of a light beam and / or electron beam. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat eine durchgehende Oberfläche ohne Aussparung aufweist.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the substrate has a continuous surface without a recess. Herstellungsvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Herstellungsvorrichtung (10) zum Strahlen mehrerer Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen gleichzeitig auf das Ausgangsmaterial (40) ausgebildet ist.Manufacturing device (10) according to one of the preceding claims, wherein the manufacturing device (10) is designed to project several light beams and / or electron beams simultaneously onto the starting material (40). Verfahren zum additiven Herstellen eines Objekts aus einem auf einem Substrat (50) angeordneten Ausgangsmaterials (40), wobei das Verfahren folgenden Schritt umfasst: Drehen einer Bestrahlungsvorrichtung (20) umfassend eine Vielzahl von Strahlelementen (30-35) zum Strahlen eines Lichtstrahls und/oder eines Elektronenstrahls auf das Ausgangsmaterial (40) um eine Drehachse (80) zum Bewegen der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen über das Ausgangsmaterial (40) relativ zu dem Substrat (50), und Strahlen von Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen aus den Strahlelementen (30-35) auf das Ausgangsmaterial (40), wobei die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstahlen unterschiedliche Abstände zu der Drehachse (80) aufweisen, und wobei die Drehachse (80) die Oberfläche des Substrats (50) im Wesentlichen senkrecht schneidetA method for the additive manufacture of an object from a starting material (40) arranged on a substrate (50), the method comprising the following step: Rotating an irradiation device (20) comprising a plurality of beam elements (30-35) for irradiating a light beam and / or an electron beam onto the starting material (40) about an axis of rotation (80) for moving the light beams and / or electron beams over the starting material (40) ) relative to the substrate (50), and Beams of light beams and / or electron beams from the beam elements (30-35) onto the starting material (40), wherein the light beams and / or electron beams have different distances from the axis of rotation (80), and wherein the axis of rotation (80) intersects the surface of the substrate (50) substantially perpendicularly Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Ausrichtung der Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen der Strahlelemente (30-35) relativ zu der Bestrahlungsvorrichtung (20) im Wesentlichen nicht verändert wird.Procedure according to Claim 12 wherein the alignment of the light beams and / or electron beams of the beam elements (30-35) relative to the irradiation device (20) is essentially not changed. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei beim Drehen der Bestrahlungsvorrichtung (20) mit den Strahlelementen (30-35) um die Drehachse (80) die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen entlang von Kreisen auf dem Ausgangsmaterial (40) bewegt werden, wobei die Kreise zueinander äquidistant verlaufen.Procedure according to Claim 12 or 13th , wherein when the irradiation device (20) with the beam elements (30-35) is rotated around the axis of rotation (80), the light beams and / or electron beams are moved along circles on the starting material (40), the circles being equidistant from one another. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14, wobei die Drehgeschwindigkeit der Bestrahlungsvorrichtung (20) relativ zum Substrat (50) derart gewählt wird, dass nach dem Schmelzen eines ersten Bereichs des Ausgangsmaterials (40) durch einen ersten Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl der erste Bereich des Ausgangsmaterials (40) wieder erstarrt, bevor ein zu dem ersten Bereich unmittelbar benachbarter zweiter Bereich durch einen zweiten Lichtstrahl und/oder Elektronenstrahl geschmolzen wird.Method according to one of the Claims 12 - 14th , wherein the speed of rotation of the irradiation device (20) relative to the substrate (50) is selected such that after the melting of a first area of the starting material (40) by a first light beam and / or electron beam, the first Area of the starting material (40) solidifies again before a second area immediately adjacent to the first area is melted by a second light beam and / or electron beam. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-15, wobei die Bestrahlungsvorrichtung (20) relativ zu dem Substrat (50) derart bewegt wird, dass die Lichtstrahlen und/oder die Elektronenstrahlen zumindest Teile des Ausgangsmaterials (40) zeitlich versetzt zueinander nur teilweise überschneidend überstreichen.Method according to one of the Claims 12 - 15th wherein the irradiation device (20) is moved relative to the substrate (50) in such a way that the light beams and / or the electron beams sweep over at least parts of the starting material (40) only partially overlapping at a time offset from one another. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, wobei das Ausgangsmaterial (40) mittels einer Druckerzeugungseinheit zusammengedrückt wird, wobei eine für die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen durchgängige Platte der Druckerzeugungseinheit auf der Oberfläche des Ausgangsmaterials aufliegt und wobei Luft durch mindestens eine Luftdüse der Druckerzeugungseinheit mit einem ersten Querschnitt in das Ausgangsmaterial geblasen wird, wobei der erste Querschnitt größer als der Abstand zwischen dem Substrat und der Platte ist.Method according to one of the Claims 12 - 16 , wherein the starting material (40) is compressed by means of a pressure generating unit, wherein a plate of the pressure generating unit that is continuous for the light beams and / or electron beams rests on the surface of the starting material and wherein air is blown through at least one air nozzle of the pressure generating unit with a first cross section into the starting material wherein the first cross section is greater than the distance between the substrate and the plate. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-17, wobei Ausgangsmaterial (40) auf das Substrat (50) und/oder bereits vorhandenes Ausgangsmaterial (40) auf dem Substrat (50) mittels einer Düse aufgebracht wird, während die Lichtstrahlen und/oder Elektronenstrahlen Ausgangsmaterial (40) auf dem Material erwärmen.Method according to one of the Claims 12 - 17th , with starting material (40) being applied to the substrate (50) and / or already existing starting material (40) on the substrate (50) by means of a nozzle, while the light beams and / or electron beams heat starting material (40) on the material. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-18, wobei das Substrat (50) aktiv bewegt wird.Method according to one of the Claims 12 - 18th wherein the substrate (50) is actively moved.
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