EP4171853A1 - Additive manufacturing method and device - Google Patents

Additive manufacturing method and device

Info

Publication number
EP4171853A1
EP4171853A1 EP21754910.4A EP21754910A EP4171853A1 EP 4171853 A1 EP4171853 A1 EP 4171853A1 EP 21754910 A EP21754910 A EP 21754910A EP 4171853 A1 EP4171853 A1 EP 4171853A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
base element
energy beam
starting material
axis
rotation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21754910.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Henning Janssen
Florian Schmidt
Christian Brecher
Daniel Zontar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4171853A1 publication Critical patent/EP4171853A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20Direct sintering or melting
    • B22F10/28Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30Process control
    • B22F10/36Process control of energy beam parameters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/22Driving means
    • B22F12/226Driving means for rotary motion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/30Platforms or substrates
    • B22F12/37Rotatable
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40Radiation means
    • B22F12/44Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40Radiation means
    • B22F12/46Radiation means with translatory movement
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50Means for feeding of material, e.g. heads
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/60Planarisation devices; Compression devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0823Devices involving rotation of the workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/10Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam
    • B23K26/103Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam the laser beam rotating around the fixed workpiece
    • B23K26/106Devices involving relative movement between laser beam and workpiece using a fixed support, i.e. involving moving the laser beam the laser beam rotating around the fixed workpiece inside the workpiece
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34Laser welding for purposes other than joining
    • B23K26/342Build-up welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205Means for applying layers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/227Driving means
    • B29C64/241Driving means for rotary motion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264Arrangements for irradiation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264Arrangements for irradiation
    • B29C64/268Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B29C64/273Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB] pulsed; frequency modulated
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40Radiation means
    • B22F12/41Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam
    • B22F12/43Radiation means characterised by the type, e.g. laser or electron beam pulsed; frequency modulated
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/40Radiation means
    • B22F12/44Radiation means characterised by the configuration of the radiation means
    • B22F12/45Two or more
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for additive manufacturing according to the preamble of claim 1 and a device for additive manufacturing according to the preamble of claim 16.
  • Additive manufacturing in the sense of the invention concerned here means the layer-by-layer production of components from a starting material which, for. B. is in powder form, with irradiation of an energy beam such as a laser beam or an electron beam.
  • an energy beam such as a laser beam or an electron beam.
  • selective laser melting also known as laser powder bed fusion (LPBF)
  • selective laser sintering e.g. SLS
  • electron beam melting Due to the layered structure, complex internal and external structures can be implemented in the three-dimensional components, such as cooling channels or support structures.
  • Additive manufacturing offers, especially with the use of laser beams, a high potential for the implementation of digitally controlled process chains in the sense of Industry 4.0. This means that late customer interconnection points can be provided and standardized semi-finished products can be used. Areas of application are in particular the automotive sector, aerospace, medical technology as well as tool and mechanical engineering.
  • a gas flow in particular from a protective gas that prevents oxidation of the starting material, is used.
  • a device for selective laser melting in which the laser beam with its processing path is guided over the powder bed in such a way that particles produced during processing are not blown onto the unprocessed powder bed by a gas stream directed at the component.
  • the direction of the gas flow is constant, while the direction of the processing path can be changed by a scanner unit of the laser device.
  • a method and a device of the type mentioned are known in which a laser is used for the selective sintering of a powder material in a build-up chamber, the build-up chamber being annular and rotating relative to a powder storage system and the laser.
  • the material is applied essentially with a direction of construction parallel to the axis of rotation of the base element.
  • several components distributed in the ring can be manufactured additively, whereby the same laser scanner can successively sinter component layers on different components, while new powder can be applied or stripped for another component at the same time. This should enable a higher throughput.
  • a similar disclosure emerges from EP 2983896 B1, according to which a carrier for a The workpiece to be produced and a powder distributor for producing a powder bed are provided, the powder distributor and the support of the axis being rotatably arranged.
  • a pot-shaped structure of the carrier is intended to cause the cylindrical wall to rotate together with the base when the carrier rotates, creating a relative movement between the wall of the process chamber in which the powder bed is produced and the rotating base of the process chamber, which is called The basis for the workpieces to be produced is avoided.
  • a 3D printing process is known from CN 206839165 U, with which cylinders or hollow cylinders with a larger diameter of e.g. more than 2 m can be produced.
  • an overall cylindrical 3D printer is used, with the main construction direction being aligned parallel to the cylinder axis.
  • CN108015278 B discloses a 3D printer device in which the powder is distributed in a cylindrical powder distributor with a structure rotating about a z-axis on a floor perpendicular to the z-axis. The components to be printed are built up parallel to this z-axis.
  • DE 102010041 284 A1 discloses a method for selective laser sintering in which the powder is applied by means of a rotating powder distributor, the axis of rotation of which is aligned inside an annularly closed cross section of the component to be produced and perpendicular to the surface of the powder bed.
  • the laser beam should be guided following the curved contour of the component, at least during a first linear energy input, in such a way that the contour is continuously reproduced by the sintered material.
  • a method and a device for three-dimensional printing are known, the device having a frame rotating about an axis with a base surface on which three-dimensional objects are built up in a powder layer as starting material.
  • the rotational movement of the frame causes a sufficient centrifugal force to act on the powder layer applied to the base surface, so that the powder layer is held continuously by the base surface and on this with an energy beam for 3D printing can be applied.
  • the powder can be sprayed on by means of a pivotable arm which is mounted on the central rotating shaft for the frame, but does not rotate with it.
  • a beam source is fixed to a cardan ring in such a way that it can be pivoted in any direction.
  • the invention is based on the technical problem of providing a method and a device for additive manufacturing which have kinematics that are alternative to the prior art and which offer improved options for influencing the starting material and the process control.
  • a rotational movement be provided for at least some of the energy beam irradiation means.
  • the starting material does not rest on the base surface due to the gravitational acceleration, but rather remains adhering to the base surface due to the centrifugal acceleration.
  • the rotational component of the movement has a suitable angular velocity, that of sliding or falling of the starting material from the base surface, for example due to gravitational acceleration, is prevented.
  • a rotational movement be provided for at least some of the energy beam irradiation means.
  • the rotational movement for at least some of the energy beam irradiation means has the consequence that the energy beam itself is guided in a rotating manner within the base element, so that the part of the energy beam running between the energy beam irradiation means and the starting material has an energy beam axis of rotation that is perpendicular to at least one component of the direction of propagation of the energy beam is aligned.
  • the energy beam irradiation means can have optical elements such as lenses, mirrors and / or light guides.
  • the rotational movement for the energy beam irradiation means or for at least some of the energy beam irradiation means is carried out with an energy beam rotation axis parallel to the base element rotation axis.
  • the energy beam can be used without restriction in the complete angular range of 360 ° of a central angle of its rotation in the circumferential direction of the base element.
  • the axis of rotation of the base element and the axis of rotation of the energy beam are coaxial or can be aligned coaxially with one another.
  • a coaxial alignment of the axes of rotation can mean, for example, that in every angular position of the rotating energy beam irradiation means or of the at least one rotating part of the energy beam irradiation means, the radial spacing of one The exit point for the energy beam to a base surface assumed to be cylindrical remains the same.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that a relative speed of a point of impact of the energy beam on the base area or the surface of the starting material relative to the base area or relative to the starting material is varied during additive manufacturing. This results in additional parameters for the manufacturing process.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the intensity of the energy beam is varied during additive manufacturing.
  • the variation of the relative speed as well as the intensity of the energy beam can take place in terms of time and / or location.
  • different relative speeds and / or intensities can be provided for different coordinates in the axial direction, that is to say parallel to the axis of rotation of the base element, and / or for different layers when building components up in layers.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the rotational movement of the base element are carried out at angular velocities that differ from one another.
  • the relative speed of the energy beam to the starting material at the point of impact of the energy beam on the starting material can be influenced without having to change the rotational speed of the base element.
  • the base element, together with the starting material has the significantly greater moment of inertia compared to the energy beam irradiation means.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the direction of rotation of the rotational movement of the base element are opposite to one another. To this In this way, a relative speed between the energy beam and the starting material is achieved which clearly exceeds the peripheral speed of the starting material rotating with the base element. It goes without saying that the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the direction of rotation of the rotational movement of the base element can be rectified.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that the angular speed of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means is changed during additive manufacturing.
  • this angular velocity could be adapted to a changing, for example increasing, layer thickness of the starting material.
  • the relative speed between the point of impact of the energy beam and the starting material can be changed if necessary, but it can also be worked towards keeping the relative speed as constant as possible even with increasing layer thickness of the starting material, without doing this having to change the angular velocity of the base element.
  • the angular speed of the rotational movement of the base element can influence, for example, the formation of pores, the energy input or when a gas is used, e.g. B. a protective gas, can be taken on the gas flow. It is also possible to provide different orientations of the axis of rotation of the rotational component, for example parallel or perpendicular to the direction of gravitational acceleration, or any other desired orientation. The orientation of the axis of rotation can also be changed during the procedure. If the starting material is in powder form, for example, the powder dynamics can be influenced by varying the angular velocity. Increasing rotational speeds lead to higher contact pressure between the powder particles in a powder bed, which can reduce denudation, i.e.
  • the size and / or number of pores or gas inclusions in the component can be influenced via the centrifugal acceleration. It is also possible to influence the centrifugal acceleration with other forms of the starting material, for example with a viscous starting material.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material corresponds at least to the amount of the gravitational acceleration.
  • the centrifugal acceleration can also be a multiple of the gravitational acceleration, e.g. the acceleration due to gravity, e.g. at least 1.5 times, more preferably at least twice the amount of the gravitational acceleration, in absolute numbers based on the acceleration due to gravity e.g.
  • the process can be influenced in a completely new way during the process.
  • changing the centrifugal acceleration could influence the density of the starting material, which in turn can influence the structure of a component to be manufactured. It could e.g. B. can be achieved that gas inclusions migrate due to the higher pressure in the starting material in the direction of the axis of rotation and the number of pores in the component is reduced.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the component is built up with layers whose local surface normals have at least one main component parallel or antiparallel to the centrifugal acceleration.
  • the starting material will usually assume an inner surface, the local surface normal of which is aligned antiparallel to the centrifugal acceleration.
  • the component layers produced in the bed of the starting material by solidification, for example by welding, sintering or after melting, can also be aligned in a corresponding manner.
  • the sequence of the built-up component layers thus generally extends radially in the direction of the axis of rotation of the base element.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that at least two components are built up on the same base element in the same manufacturing method. These components can be spaced apart from one another in the circumferential direction and / or in the axial direction.
  • the method according to the invention can also be carried out in such a way that at least one component that is closed in the circumferential direction of the base surface is built up on the base element.
  • a component can be, for example, ring-shaped, tubular or hollow-cylindrical.
  • a plurality of components which are closed in the circumferential direction and which are spaced apart from one another in the axial direction can be manufactured simultaneously or one after the other.
  • the component or at least one of the components can in particular be rotationally symmetrical.
  • the method according to the invention can be carried out in such a way that the base element is at least regionally shaped as a hollow cylinder and the longitudinal center axis of the hollow cylinder shape is used as the base element axis of rotation of the rotational component.
  • the base element can, however, also deviate from the hollow cylindrical shape or have structures, for example depressions, chambers or webs, in the base surface, which can help determine the shape of the component to be produced.
  • the movement of the base element can also deviate from a pure rotation.
  • the rotation can be combined with further movement components, for example a pivoting movement about a pivoting axis perpendicular to the base element rotational axis of the rotational component or with translational movement (s), so that further possibilities of influencing the starting material to be solidified are given.
  • a device for additive manufacturing comprising a base element with a base surface for receiving a starting material, energy beam irradiation means set up for irradiating an energy beam in the direction of the base area, and base element drive means for moving the base element with a rotational component having a base element rotation axis, the base area extending along a extends in the direction parallel to the base element rotation axis, the technical problem is solved by at least one energy beam rotation axis for the rotation of at least part of the energy beam irradiation means.
  • An extension of the base surface along the direction parallel to the base element axis of rotation does not mean that the base surface must have a surface vector parallel to the base element axis of rotation, that is, runs parallel to the base element axis of rotation. Seen in the direction of the base element axis of rotation, the base surface can therefore also run inclined at least in some sections. As will be explained further below, the base surface can therefore in particular deviate from a hollow cylindrical shape.
  • the energy beam irradiation means can, for example, means for beam shaping or means for beam guidance, e.g. B. have one or more radiation guide fibers, mirrors or other optical elements, or a scanner device.
  • the energy beam can be a laser beam or another one to solidify the starting material be a suitable energy beam, for example an electron beam or, especially in the case of liquids as the starting material, a beam formed with UV radiation.
  • the base element drive means are designed to rotate the base element at a sufficiently high angular velocity to hold the starting material on the base surface due to the centrifugal acceleration acting on it.
  • the amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material preferably corresponds to at least the amount of the gravitational acceleration.
  • the device according to the invention can also have at least one additional axis of movement to the axis of rotation of the energy beam for the movement of at least part of the energy beam irradiation means.
  • the part of the energy beam radiation means which is movable for the rotation or for the additional axis of movement, it can be, for. B. be a beam output to which the energy beam is supplied via suitable means, z. B. mirrors, beam guiding fibers and / or other optical elements.
  • At least one of the additional axes of movement can be a pivot axis. It is thus possible for the energy beam irradiation means or their movable part to rotate or pivot with the base element in the same orientation and angular speed.
  • the energy beam can be guided over the starting material by suitable means, for example with a scanner device or with other beam deflection means which are part of the energy beam irradiation means or are provided separately.
  • the rotation or the pivoting movement of the energy beam irradiation means or of the movable part thereof does not necessarily have to match the rotation of the base element in terms of angular velocity.
  • the irradiation can be coordinated with the rotation of the base element, for example by activating the energy beam always then or for irradiating the starting material or the Component is released when the area of the starting material to be processed or the component that has already been partially manufactured has reached a suitable position.
  • irradiation that is to say irradiation which is interrupted once or several times during one revolution of the base element relative to the energy irradiation means.
  • the irradiation time can be calculated, for example, from the rotational speed of the base element and the current inside diameter of the starting material, for example the powder bed, and the diameter of the incident energy beam. Furthermore, the times at which the irradiation on the starting material or the component begins and / or ends can be synchronized with the angular position of the base element. In the case of components that are closed in the circumferential direction of the rotational movement of the base surface, the effect of the jet can also take place continuously in the course of at least one rotation of the base element.
  • the device according to the invention can also be designed in such a way that at least one of the additional movement axes is a translation axis, in particular a linear axis.
  • a translation axis can also be provided in addition to the at least one rotation axis for the energy beam radiation means or for the movable part thereof.
  • the at least one translation axis can in particular be provided for a movement parallel and / or perpendicular to the base element rotation axis.
  • the translation axis which has at least one component parallel to the base element rotation axis, can be designed in such a way that it enables at least part of the energy irradiation means or the movable part thereof to be moved into or out of a base element interior.
  • Rotation axes, pivot axes and translation axes can be located in the area or in the vicinity of the base element rotation axis or have a radial distance from it. Such a distance can be particularly useful when when the base element has a large diameter of, for example, more than 1 m.
  • the device according to the invention can also be designed so that means for applying the starting material and / or means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or means for supplying a gas and / or means for sucking off a gas or waste products, within a base element inner space traversed by the base element rotation axis and at least partially surrounded by the base surface are arranged or can be arranged therein for the operation of the device.
  • the energy beam radiation means or a part thereof e.g. B. the beam output of the energy beam irradiation means
  • the other aforementioned means arranged in the interior of the base element can, however, also be arranged at different positions along the axial extent.
  • the aforementioned means including the energy beam radiation means or part thereof, can also extend in the axial direction in such a way that the base surface can be operated over at least almost its entire axial extent, e.g. with the application of raw material and / or smoothing, distribution or removal of raw material and / or supply / suction of a gas.
  • the device according to the invention can also be designed so that the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or of waste products are axially and / or radially displaceable.
  • the additive manufacturing process can be influenced in a variety of ways. In particular, it is possible to simultaneously solidify the starting material at at least one point on the base surface and to apply starting material to at least one other point on the base surface.
  • the axial The displaceability can be so extensive that the beam outlet and / or the further aforementioned means can also be guided out of the base element.
  • the device according to the invention can also be designed so that the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or of waste products are rotatably or pivotably mounted, in particular with a rotation or pivot axis parallel to the base element rotation axis.
  • the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or waste products can rotate or pivot synchronously with the base element move on a circle or spiral path in order to follow the processing location, for example on the component. It is also conceivable, however, not to use the aforementioned means or to rotate or pivot them at an angular speed that deviates from the angular speed of the base element and instead to coordinate the radiation of the energy radiation with the rotation of the base element in such a way that the energy radiation is only in the area to be manufactured Layers of the component strikes the base material. In this case, there can be a pulsed or discontinuous operation of the energy beam radiation means.
  • the starting material can be supplied, for example, via a rotary feedthrough, for example via at least one open axial end of the base element.
  • a rotary feedthrough for example via at least one open axial end of the base element.
  • the device according to the invention can be manufactured with the most varied of sizes of the base element.
  • Inner diameter for the base area in the range of 1 m or 2 m or more are conceivable and thus enable the arrangement of the required elements, such as.
  • diameters of significantly less than 1 m can of course also be useful, depending on the desired geometry.
  • the means for applying the starting material and the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material can be implemented by a unitary device, for example by an applicator for the starting material and a doctor blade arranged thereon.
  • the means for distributing the starting material can also be those which act by means of a gas stream, in particular means which have a nozzle, e.g. B. have a slot nozzle.
  • the gas flow can alternatively or additionally also be used for smoothing.
  • the special design of the device according to the invention also allows the installation space for the base element or the entire device to be changed in the axial direction in a simple manner, regardless of the diameter of the base element.
  • the usable base area can thus be expanded or shortened in the axial direction if necessary, for example by replacing the base element or using a base element whose axial extent can be changed.
  • the device according to the invention can also be designed in such a way that, in a sectional plane perpendicular to the base element rotation axis, the base surface concentrically encloses the base element rotation axis at least over the predominant circumference. Insofar as the base surface concentrically and completely surrounds the base element axis of rotation over all cutting planes intersecting the base surface, the base surface forms a body of revolution.
  • the base surface can also correspond to an incomplete body of revolution which does not completely surround the base element axis of rotation in the circumferential direction, but rather has at least one interruption in the circumferential direction, so that radiation or matter from the outside in the base element interior can be introduced or can leave the base element interior, for example to remove excess starting material.
  • the device according to the invention can also be designed in such a way that the base surface is cylindrical in shape at least in a partial area extending in a direction parallel to the base element rotation axis and at least over the predominant circumference. So the base element z. B. be shaped in places as a hollow cylinder.
  • the base surface viewed in the direction of its axial extent, can have end walls at its ends which extend from the base surface, preferably perpendicularly, in the direction of the base element rotation axis and which hold the starting material in the base element at least during the rotation of the base element. At least one end wall can also be movable or removable in order to facilitate emptying of the base element.
  • the base element can be opened so wide at one or both axial ends that the energy beam or starting material or other elements, e.g. B. the energy beam irradiation means or a part thereof and / or the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or from waste products.
  • the base element can be completely free of walls or brackets at both ends. If necessary, the base element can be supported and / or driven from the outside, for example by means of rollers.
  • the device according to the invention with a component, a base element, a base surface or an energy beam, or other elements in each case in the singular, this is exemplary and not a restriction.
  • the invention thus also includes variants with more than one of these elements, for example two or more base elements each having at least one base area or two or more energy beams can be provided.
  • There can also be several mutually delimited base surfaces can be realized in the base element or in at least one of the base elements.
  • the figures do not show the respective system for selective laser melting in their completeness, but rather limited in each case to the components essential for the invention.
  • the systems still have drive means, control units and feed devices for laser radiation and raw material.
  • the first LPBF system 1 shows schematically in an axial cross section a first embodiment 1 of a system for selective laser melting (hereinafter referred to as the first LPBF system 1 for short).
  • the first LPBF system 1 has a base element 2, of which only a hollow cylindrical base surface 3 can be seen in the illustration in FIG. 1.
  • the base element 2 is rotated by drive means not shown here.
  • the drive means can, for example, act on the base element 2 from the outside in a form-fitting or force-fitting manner.
  • a powder 4, which is applied to the base surface 3 with a powder applicator 5, is used here as an example of the starting material for additive manufacturing.
  • the powder applicator 5 can be moved in the circumferential direction relative to the base surface 3, for example solely by rotating the base element 2 or additionally by separate drive means (not shown here).
  • a doctor blade 6 ensures uniform distribution of the powder 4.
  • An energy beam in the form of a laser beam 8 is radiated onto the powder bed 7 via laser optics 9.
  • the powder is selectively melted in a layer in the powder bed 7, the lateral layer dimensions of the component to be created being determined by a movement of the laser beam 8 and the layer thicknesses being determined by the height of the new powder layer.
  • the material solidifies to form a first layer of a desired component 10, which is built up successively in this way.
  • the correct focusing of the laser beam 8 on the powder bed can be achieved by changing the laser optics 9 or by shifting the laser optics 9 relative to the axis of rotation of the base element.
  • the displacement of the laser optics 9 can take place, for example, via a first linear axis 11.
  • the laser optics 9 can also be moved in further directions, for example via a second linear axis, not shown here, parallel to the base element rotation axis.
  • the laser optics can extend over the entire axial length required for the production of the component or act on a corresponding distance by means of a scanner unit not shown separately here, so that a displacement of the laser optics 9 parallel to the base element rotation axis is not necessary.
  • the laser optics are mounted in such a way that they can be rotated about a preferably coaxial, energy beam rotation axis parallel to the base element rotation axis, as is explained in more detail in FIG. 5 on the basis of a further exemplary embodiment.
  • a protective gas is emitted in the area of additive manufacturing by means of a protective gas applicator 12, which is collected by means of a gas collector 13. It can be seen that the application of the powder 4 and the production of the component 10 can take place simultaneously.
  • the gas flow emitted by the protective gas applicator 12 can also support or even effect the distribution and smoothing of the powder 4 in the powder bed 7, so that the doctor blade 6 can be dispensed with.
  • the protective gas applicator 12, the gas collector 13 and / or the powder applicator 5 can be moved radially and / or axially.
  • the radial movability is helpful for adapting to the growing component.
  • the axial displaceability can serve to adapt to a machining area that is shifting in the axial direction.
  • the protective gas applicator 12, the gas collector 13, and / or the powder applicator 5 can, however, also extend in the axial direction over the entire processing area.
  • the laser optics 9, the protective gas applicator 12, the gas collector 13 and / or the powder applicator 5 can rotate synchronously, ie with the same angular speed as the base element 2, pivot or move on a circular or spiral path around the processing location, for example on the component 10, to follow.
  • the laser optics 9 can be operated continuously in this case.
  • FIG. 2 shows schematically in cross section a second LPBF system 14 with a base element 16 having a hollow cylindrical base surface 15, which is drum-shaped and has a drive connector 17 for the engagement of a drive element (not shown here) for the base element 16.
  • the base element 16 comprises a front end wall 20 with an opening 21 which allows access for laser optics 22 with a feed line 28 and an axial linear guide 23.
  • a radial linear guide 27 for the laser optics 22 is provided outside the base element 16.
  • the radial linear guide 27 can alternatively also be arranged within the base element 16.
  • the linear guides 23 and 27 are shown only symbolically and are combined in a manner not shown here with the means for mounting and driving a rotation of the laser optics 22, also not shown.
  • a powder applicator or a protective gas applicator are not shown in Fig. 2 for the sake of clarity, but can also be introduced via the opening 21 and their spatial position can be changed, for example via linear guides or via rotary or pivot axes.
  • two components 24 and 25 are produced, for example, which can be closed in the circumferential direction of the base element 16 and, for example, each have a ring shape.
  • FIG. 3 shows schematically a base element 29 with a base surface 30 of a third LPBF system 26 in cross section, the base element 29 rotating in the direction of the arrow.
  • laser optics 31 Arranged in the base element 29 are laser optics 31, by means of which, by additive manufacturing, an annularly closed component 33 with cavities 34 is produced from a powder bed 32, only one of which is provided with a reference number.
  • the axis of rotation of the energy beam (see 46 for the fourth exemplary embodiment in FIG. 4) for the laser optics 31 is not shown here.
  • Fig. 4 shows schematically a base element 35 with a base surface 36 of a fourth LPBF system 37 in cross section, the base element 35 in the direction of the arrow around the Base element rotation axis rotates.
  • a first laser optics 38 and a second laser optics 39 are arranged, which simultaneously apply laser radiation 41 to different locations of a powder bed 40 for the simultaneous formation of layers on two different components 42 and 43.
  • the first laser optics 38 and the second laser optics 39 can be rotated around the energy beam rotation axis 46 which is coaxial to the base element rotation axis, wherein the angular speed of the laser optics 38 and 39 can be temporarily identical to that of the base element 35 or different therefrom, around the alignment of the laser beams 41 to change relative to the base element 35.
  • the laser optics 38 and 39 can provide two further components 44 and 45 each with a layer at the same time.
  • a component that expands further in the circumferential direction in particular one that is closed in the circumferential direction, can be processed simultaneously at different points.
  • Means, not shown here, for applying the powder and / or for flowing a protective gas through it can also be provided multiple times, for example corresponding to the number of laser optics 38, 39.
  • FIG. 5 shows a fifth LPBF system 50 with a base element 51 having a base area 52.
  • a powder to be used as a starting material for additive manufacturing is not shown.
  • the base element 51 is driven by means of means, not shown here, for rotation at an angular velocity wi, symbolized by the arrow 53.
  • the drive can act on the outside of the base element 51 in a form-fitting or force-fitting manner, for example.
  • a hollow shaft 55 is guided into the interior of the base element 51 via a bearing 54.
  • the mounting allows both a rotational movement and an axial displacement indicated by the double arrow between the base element 51 and the hollow shaft 55.
  • the hollow shaft 55 is driven to rotate at the angular speed 002, symbolized by the arrow 56, via drive means (not shown here).
  • Laser radiation 58 from a laser source, not shown here, is coupled into the hollow shaft 55 via a rotary coupling 57.
  • the rotary coupling makes it possible to operate the radiation source (not shown) without a rotary movement.
  • the rotary coupling 57 an optical module 59, here merely symbolized by three optical lenses 60, is connected upstream in the beam direction, with which a controlled focus adjustment for the laser beam 58 is possible.
  • the hollow shaft 55 has a mirror element 61 which, in the example shown, is mounted for a controllable scanning or pivoting movement.
  • a fixed mirror element with a fixed angle of e.g. 90 ° can also be provided, i.e. without a scanning device.
  • the focus of the laser radiation can thus be moved in a controlled manner, e.g. parallel to the hollow shaft 55, i.e. in the axial direction, or in other directions on the base surface 52 or a powder surface (not shown here).
  • this can be done by correspondingly changing the angle of inclination of the mirror element 61 or, in the case of a mirror element with a fixed deflection angle, by axial displacement.
  • alternative optical deflection devices such as a prism, can of course also be used.
  • the focus position can be adjusted by means of the optical module 59.
  • the angular speed 00256 of the hollow shaft 55 corresponds to the angular speed with which the laser beam 58 rotates about its energy beam axis of rotation, here coinciding with the central longitudinal axis of the hollow shaft 55.
  • the angular speed 00256 of the hollow shaft 55 can match the angular speed wi 53 of the base element 51, so that the energy beam 58 on the one hand and the base surface 52 or the surface of a powder layer (not shown here) on the other side at the point of impact of the laser beam 58 does not have any relative movement have to each other, if one disregards a scanning movement controlled by the mirror 61.
  • This Relative speed determines the speed of the process progress and is, for example, at least 100 mm / s, typically 200 mm / s and up to 2 m / s or up to a maximum of 5 m / s.
  • the relative movement can be achieved with 002> wi or with 002 ⁇ wi.
  • the relative movement can also be achieved in that the hollow shaft 55 and base element 51 have opposite directions of rotation.
  • the relative speed does not have to be constant during the manufacturing process, but can also be changed. For example, different relative speeds can be provided at different axial positions. With additive manufacturing, components are manufactured in successive layers. Different relative speeds can be provided for different layers of the component. In addition, a local variation of the intensity of the laser beam for different axial positions and different layers is possible.
  • All of the exemplary embodiments presented can be varied in a suitable manner with regard to the number of elements presented, such as laser optics, components, powder applicators, squeegees, inert gas applicators and / or gas collectors.
  • powder an alternative material, such as a viscous starting material, for example a liquid, is also conceivable as the starting material in the exemplary embodiments shown.
  • energy radiation for example electron radiation or ultraviolet radiation (UV radiation) can also be used instead of laser radiation.

Abstract

The invention relates to an additive manufacturing method in which a component (10, 42, 43, 44, 45) is produced in layers using an energy beam (8, 41, 58) which solidifies a starting material (4) and is irradiated by energy beam irradiating means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) while the starting material (4) is held by a base surface (3, 15, 30, 36, 52) arranged on a base element (2, 16, 29, 35, 51). While the starting material (4) is being irradiated with the energy beam (8, 41, 58), the base element (2, 16, 29, 35, 51) is moved by a rotational component which has a base element rotational axis, wherein the starting material (4) is held on the base surface (3, 15, 30, 36, 52) by a centrifugal acceleration generated by the rotational component. The invention is characterized in that a rotational movement is produced for at least some of the energy beam irradiating means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61). Analogously, at least one energy beam rotational axis (46) is proposed for rotating at least some of the energy beam irradiating means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) in an additive manufacturing device in which the starting material (4) is held on a base surface (3, 15, 30, 36, 52) by a centrifugal acceleration.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung Process and device for additive manufacturing
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16. The invention relates to a method for additive manufacturing according to the preamble of claim 1 and a device for additive manufacturing according to the preamble of claim 16.
Additive Fertigung im Sinne der hier betroffenen Erfindung meint die schichtweise Herstellung von Bauteilen aus einem Ausgangsmaterial, welches z. B. pulverförmig vorliegt, unter Einstrahlung eines Energiestrahls, z.B. eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise das selektive Laserschmelzen (englisch Selective Laser Melting), auch Laser Powder Bed Fusion (LPBF) genannt, das selektive Lasersintern (z.B. SLS) oder das Elektronenstrahlschmelzen bekannt. Durch den schichtweisen Aufbau können in den dreidimensionalen Bauteilen komplexe innere und äußere Strukturen realisiert werden, wie z.B. Kühlkanäle oder Stützstrukturen. Die additive Fertigung bietet, insbesondere unter Einsatz von Laserstrahlen, ein hohes Potential für die Realisierung von digital gesteuerten Prozessketten im Sinne der Industrie 4.0. So können späte Kundenkopplungspunkte vorgesehen und standardisierte Halbzeuge eingesetzt werden. Anwendungsgebiete sind insbesondere der Automotivebereich, die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik sowie der Werkzeug- und Maschinenbau. Additive manufacturing in the sense of the invention concerned here means the layer-by-layer production of components from a starting material which, for. B. is in powder form, with irradiation of an energy beam such as a laser beam or an electron beam. From the prior art, for example, selective laser melting, also known as laser powder bed fusion (LPBF), selective laser sintering (e.g. SLS) or electron beam melting are known. Due to the layered structure, complex internal and external structures can be implemented in the three-dimensional components, such as cooling channels or support structures. Additive manufacturing offers, especially with the use of laser beams, a high potential for the implementation of digitally controlled process chains in the sense of Industry 4.0. This means that late customer interconnection points can be provided and standardized semi-finished products can be used. Areas of application are in particular the automotive sector, aerospace, medical technology as well as tool and mechanical engineering.
Die additive Fertigung hat sich seit der Entwicklung des LPBF-Verfahrens im Jahre 1999 vorrangig für die schnelle Herstellung von Prototypen sowie für kleine bis mittelgroße Serien spezifischer Bauteile etabliert. Die additive Fertigung bringt seither in wachsenden Bereichen einen Paradigmenwechsel von weitgehend subtraktiven Prozessketten hin zu generativen Verfahren. Bislang findet die additive Fertigung allerdings noch relativ geringe Anwendung in der Produktion von hochvolumigen Bauteilen, da dort die etablierten Verfahren in der Regel noch wirtschaftlicher sind. Since the development of the LPBF process in 1999, additive manufacturing has primarily established itself for the rapid production of prototypes and for small to medium-sized series of specific components. Since then, additive manufacturing has brought a paradigm shift in growing areas from largely subtractive process chains to generative processes. So far, however, additive manufacturing has been used relatively little in the production of high-volume components, since the established processes are usually even more economical there.
Die in vielen Fällen geringe Wirtschaftlichkeit additiver Fertigungsverfahren liegt in den bislang vergleichsweise geringen Bauraten und damit einhergehenden hohen Bauteilkosten. Zudem erfordern die additiv gefertigten Oberflächen oftmals eine Nachbearbeitung. Weitere Probleme können durch Restporositäten im Bauteil sowie Verlust von teurem, pulverförmigen Grundmaterial aufgrund geringer Verfahrenseffizienz auftreten. The low cost-effectiveness of additive manufacturing processes in many cases is due to the comparatively low construction rates and the associated high component costs. In addition, the additively manufactured surfaces often require post-processing. Other problems can arise from residual porosities in the component as well Loss of expensive, powdery base material can occur due to poor process efficiency.
Bislang hat sich für die additive Fertigung eine Maschinenkinematik mit kartesischem Koordinatensystem durchgesetzt, in der Regel mit einem Pulverbett, welches nach Fertigstellung einer Schicht des Bauteiles abgesenkt wird, und einer 2-achsigen Strahlführung für den Energiestrahl. So far, machine kinematics with a Cartesian coordinate system has prevailed for additive manufacturing, usually with a powder bed, which is lowered after completion of a layer of the component, and a 2-axis beam guidance for the energy beam.
In einigen Verfahrensvarianten der additiven Fertigung wird ein Gasstrom, insbesondere aus einem eine Oxidation des Ausgangsmaterials verhindernden Schutzgas, eingesetzt. In some process variants of additive manufacturing, a gas flow, in particular from a protective gas that prevents oxidation of the starting material, is used.
Aus der EP 3357606 A1 ist eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen bekannt, bei der der Laserstrahl mit seinem Bearbeitungspfad derart über das Pulverbett geführt wird, dass bei der Bearbeitung entstehende Partikel durch einen auf das Bauteil gerichteten Gasstrom nicht auf das unbearbeitete Pulverbett geblasen werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Richtung des Gasstromes konstant, während die Richtung des Bearbeitungspfades durch eine Scannereinheit der Laservorrichtung geändert werden kann. From EP 3357606 A1 a device for selective laser melting is known in which the laser beam with its processing path is guided over the powder bed in such a way that particles produced during processing are not blown onto the unprocessed powder bed by a gas stream directed at the component. In the illustrated embodiment, the direction of the gas flow is constant, while the direction of the processing path can be changed by a scanner unit of the laser device.
Aus der DE 102018 109737 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei denen ein Laser zum selektiven Sintern eines Pulvermaterials in einer Aufbaukammer eingesetzt wird, wobei die Aufbaukammer ringförmig aufgebaut ist und relativ zu einem Pulverablagesystem und dem Laser rotiert. Der Materialauftrag erfolgt dabei im Wesentlichen mit einer Aufbaurichtung parallel zur Basiselement-Rotationsachse. Auf diese Weise können mehrere, im Ring verteilte Bauteile additiv gefertigt werden, wobei derselbe Laserscanner nacheinander an verschiedenen Bauteilen Bauteilschichten sintern kann, während gleichzeitig für ein anderes Bauteil neues Pulver aufgebracht werden oder abgestreift werden kann. Somit soll ein höherer Durchsatz ermöglicht werden. From DE 102018 109737 A1 a method and a device of the type mentioned are known in which a laser is used for the selective sintering of a powder material in a build-up chamber, the build-up chamber being annular and rotating relative to a powder storage system and the laser. The material is applied essentially with a direction of construction parallel to the axis of rotation of the base element. In this way, several components distributed in the ring can be manufactured additively, whereby the same laser scanner can successively sinter component layers on different components, while new powder can be applied or stripped for another component at the same time. This should enable a higher throughput.
Eine ähnliche Offenbarung ergibt sich aus der EP 2983896 B1 , der zufolge in einer Prozesskammer einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen ein Träger für ein herzustellendes Werkstück und ein Pulververteiler zur Erzeugung eines Pulverbettes vorgesehen sind, wobei der Pulververteiler und der Träger der Achse drehbar angeordnet sind. Ein topfförmiger Aufbau des Trägers soll bewirken, dass sich bei einer Drehung des Trägers die zylindrische Wand zusammen mit dem Boden dreht, wodurch eine Relativbewegung zwischen der Wand der Prozesskammer, in der das Pulverbett hergestellt wird, und dem sich drehenden Boden der Prozesskammer, der als Basis für die herzustellenden Werkstücke dient, vermieden wird. A similar disclosure emerges from EP 2983896 B1, according to which a carrier for a The workpiece to be produced and a powder distributor for producing a powder bed are provided, the powder distributor and the support of the axis being rotatably arranged. A pot-shaped structure of the carrier is intended to cause the cylindrical wall to rotate together with the base when the carrier rotates, creating a relative movement between the wall of the process chamber in which the powder bed is produced and the rotating base of the process chamber, which is called The basis for the workpieces to be produced is avoided.
Aus der CN 206839165 U ist ein 3D-Druckverfahren bekannt, mit dem Zylinder oder auch Hohlzylinder mit größerem Durchmesser von z.B. mehr als 2 m herstellbar sein sollen. Hierfür wird mit einem insgesamt zylinderförmig ausgebildeten 3D-Drucker gearbeitet, wobei die Hauptaufbaurichtung parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist. A 3D printing process is known from CN 206839165 U, with which cylinders or hollow cylinders with a larger diameter of e.g. more than 2 m can be produced. For this purpose, an overall cylindrical 3D printer is used, with the main construction direction being aligned parallel to the cylinder axis.
Die CN108015278 B offenbart eine 3D-Druckervorrichtung, bei der in einem zylinderförmigen Pulververteiler das Pulver mit einer um eine z-Achse rotierenden Struktur auf einem zur z-Achse senkrechten Boden verteilt wird. Der Aufbau zu druckender Bauteile erfolgt parallel zu dieser z-Achse. CN108015278 B discloses a 3D printer device in which the powder is distributed in a cylindrical powder distributor with a structure rotating about a z-axis on a floor perpendicular to the z-axis. The components to be printed are built up parallel to this z-axis.
Die DE 102010041 284 A1 offenbart ein Verfahren zum selektiven Lasersintern, bei dem der Pulverauftrag mittels eines rotierenden Pulververteilers erfolgt, dessen Drehachse im Inneren eines ringförmig geschlossenen Querschnitts des herzustellenden Bauteils und senkrecht zur Oberfläche des Pulverbettes ausgerichtet ist. Der Laserstrahl soll dabei zumindest während eines ersten linienförmigen Energieeintrags der gekrümmten Kontur des Bauteils folgend derart geführt werden, dass die Kontur durch das gesinterte Material stufenlos nachgebildet wird. DE 102010041 284 A1 discloses a method for selective laser sintering in which the powder is applied by means of a rotating powder distributor, the axis of rotation of which is aligned inside an annularly closed cross section of the component to be produced and perpendicular to the surface of the powder bed. The laser beam should be guided following the curved contour of the component, at least during a first linear energy input, in such a way that the contour is continuously reproduced by the sintered material.
Aus der US 2020/0180224 A 1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum dreidimensionalen Drucken bekannt, wobei die Vorrichtung einen sich um eine Achse drehenden Rahmen mit einer Basisfläche aufweist, auf der dreidimensionale Objekte in einer Pulverschicht als Ausgangsmaterial aufgebaut werden. Die Rotationsbewegung des Rahmens bewirkt, dass eine hinreichende Zentrifugalkraft auf die auf der Basisfläche aufgetragene Pulverschicht wirkt, so dass die Pulverschicht durchgehend von Basisfläche gehalten und auf dieser für den 3D-Druck mit einem Energiestrahl beaufschlagt werden kann. Mittels eines an der zentralen Drehwelle für den Rahmen gelagerten, aber nicht mitrotierenden schwenkbaren Arms kann das Pulver aufgesprüht werden. Mit radialem Abstand zur Drehwelle des Rahmens ist eine Strahlquelle derart an einem Kardanring fixiert, dass sie in beliebige Richtungen verschwenkt werden kann, From US 2020/0180224 A1 a method and a device for three-dimensional printing are known, the device having a frame rotating about an axis with a base surface on which three-dimensional objects are built up in a powder layer as starting material. The rotational movement of the frame causes a sufficient centrifugal force to act on the powder layer applied to the base surface, so that the powder layer is held continuously by the base surface and on this with an energy beam for 3D printing can be applied. The powder can be sprayed on by means of a pivotable arm which is mounted on the central rotating shaft for the frame, but does not rotate with it. At a radial distance from the rotating shaft of the frame, a beam source is fixed to a cardan ring in such a way that it can be pivoted in any direction.
Verfahren und Vorrichtungen zum 3D-Drucken mit rotierender Basisfläche und Ausnutzung einer auf das Pulver wirkenden Zentrifugalkraft sind des Weiteren aus der DE 4308 189 C1 und der DE 102018019 A1 bekannt. Methods and devices for 3D printing with a rotating base surface and utilization of a centrifugal force acting on the powder are also known from DE 4308 189 C1 and DE 102018019 A1.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung zur Verfügung zu stellen, welche eine zum Stand der Technik alternative Kinematik aufweist und welche verbesserte Möglichkeiten der Beeinflussung des Ausgangsmaterials sowie der Prozessführung bietet. The invention is based on the technical problem of providing a method and a device for additive manufacturing which have kinematics that are alternative to the prior art and which offer improved options for influencing the starting material and the process control.
Hinsichtlich des Verfahrens wird das technische Problem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen. With regard to the method, the technical problem is solved with the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments emerge from the dependent method claims.
Somit wird also bei einem Verfahren zur additiven Fertigung, bei dem ein Bauteil mittels eines ein Ausgangsmaterial verfestigenden, mittels Energiestrahleinstrahlungsmitteln eingestrahlten Energiestrahls schichtweise hergestellt wird, während das Ausgangmaterial von einer an einem Basiselement angeordneten Basisfläche gehalten wird, wobei während der Beaufschlagung des Ausgangsmaterials mit dem Energiestrahl das Basiselement mit einer eine Basiselement-Rotationsachse aufweisenden Rotationskomponente bewegt und das Ausgangsmaterial mittels einer durch die Rotationskomponente erzeugten Zentrifugalbeschleunigung auf der Basisfläche gehalten wird, vorgeschlagen, dass für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel eine Rotationsbewegung vorgesehen ist. Thus, in a method for additive manufacturing, in which a component is manufactured in layers by means of an energy beam that solidifies a starting material and is radiated in by means of energy radiation radiation means, while the starting material is held by a base surface arranged on a base element, with the starting material being exposed to the energy beam the base element is moved with a rotational component having a base element rotational axis and the starting material is held on the base surface by means of a centrifugal acceleration generated by the rotational component, it is proposed that a rotational movement be provided for at least some of the energy beam irradiation means.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt also das Ausgangsmaterial auf der Basisfläche nicht aufgrund der Gravitationsbeschleunigung auf, sondern bleibt aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung auf der Basisfläche haften. Die Rotationskomponente der Bewegung weist dabei eine geeignete Winkelgeschwindigkeit auf, die ein Abgleiten oder Abfallen des Ausgangsmaterials von der Basisfläche, zum Beispiel aufgrund der Gravitationsbeschleunigung, verhindert. Auf diese Weise ist eine Kinematik für das additive Verfahren gegeben, die zusätzliche Einflussmöglichkeiten auf den Zustand des Ausgangsmaterials oder auf verschiedene Parameter des Fertigungsprozesses bietet. Erstmals wird vorgeschlagen, dass für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel eine Rotationsbewegung vorgesehen ist. Dies bedeutet, dass nicht nur das Basiselement, sondern auch der Energiestrahl während des Verfahrens zur additiven Fertigung rotiert werden kann, wodurch sich zusätzliche Möglichkeiten hinsichtlich der Einstellung oder Veränderung der Relativgeschwindigkeit zwischen Energiestrahl und dem zu bearbeitenden Ausgangsmaterial ergeben. Die Rotationsbewegung für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel hat zur Folge, dass der Energiestrahl selbst innerhalb des Basiselements rotierend geführt wird, so dass der zwischen Energiestrahleinstrahlungsmitteln und Ausgangsmaterial verlaufende Teil des Energiestrahls eine Energiestrahl-Rotationsachse aufweist, die senkrecht zu zumindest einer Komponente der Ausbreitungsrichtung des Energiestrahls ausgerichtet ist. According to the method according to the invention, the starting material does not rest on the base surface due to the gravitational acceleration, but rather remains adhering to the base surface due to the centrifugal acceleration. The rotational component of the movement has a suitable angular velocity, that of sliding or falling of the starting material from the base surface, for example due to gravitational acceleration, is prevented. In this way, there is kinematics for the additive process that offers additional options for influencing the condition of the starting material or various parameters of the manufacturing process. For the first time it is proposed that a rotational movement be provided for at least some of the energy beam irradiation means. This means that not only the base element but also the energy beam can be rotated during the additive manufacturing process, which results in additional options for setting or changing the relative speed between the energy beam and the starting material to be processed. The rotational movement for at least some of the energy beam irradiation means has the consequence that the energy beam itself is guided in a rotating manner within the base element, so that the part of the energy beam running between the energy beam irradiation means and the starting material has an energy beam axis of rotation that is perpendicular to at least one component of the direction of propagation of the energy beam is aligned.
Die Energiestrahleinstrahlungsmittel können optische Elemente, wie zum Beispiel Linsen, Spiegel und/oder Lichtleiter aufweisen. The energy beam irradiation means can have optical elements such as lenses, mirrors and / or light guides.
Es kann insbesondere vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, dass die Rotationsbewegung für die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel mit einer zur Basiselement-Rotationsachse parallelen Energiestrahl-Rotationsachse durchgeführt wird. Auf diese Weise kann der Energiestrahl ohne Einschränkung im kompletten Winkelbereich von 360° eines Mittelpunktwinkels seiner Rotation in Umfangsrichtung des Basiselements eingesetzt werden. It can be particularly advantageous to carry out the method according to the invention in such a way that the rotational movement for the energy beam irradiation means or for at least some of the energy beam irradiation means is carried out with an energy beam rotation axis parallel to the base element rotation axis. In this way, the energy beam can be used without restriction in the complete angular range of 360 ° of a central angle of its rotation in the circumferential direction of the base element.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Basiselement-Rotationsachse und die Energiestrahl-Rotationsachse koaxial sind oder koaxial zueinander ausrichtbar sind. Eine koaxiale Ausrichtung der Rotationsachsen kann z.B. bedeuten, dass in jeder Winkelstellung der rotierenden Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen rotierenden Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel der radiale Abstand eines Austrittspunktes für den Energiestrahl zu einer als zylindrisch angenommenen Basisfläche gleich bleibt. It is particularly advantageous if the axis of rotation of the base element and the axis of rotation of the energy beam are coaxial or can be aligned coaxially with one another. A coaxial alignment of the axes of rotation can mean, for example, that in every angular position of the rotating energy beam irradiation means or of the at least one rotating part of the energy beam irradiation means, the radial spacing of one The exit point for the energy beam to a base surface assumed to be cylindrical remains the same.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass eine Relativgeschwindigkeit eines Auftreffpunktes des Energiestrahls auf der Basisfläche oder der Oberfläche des Ausgangsmaterial relativ zur Basisfläche oder relativ zum Ausgangsmaterial während der additiven Fertigung variiert wird. Hierdurch ergeben sich weitere Parameter für den Fertigungsprozess. The method according to the invention can also be carried out in such a way that a relative speed of a point of impact of the energy beam on the base area or the surface of the starting material relative to the base area or relative to the starting material is varied during additive manufacturing. This results in additional parameters for the manufacturing process.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Intensität des Energiestrahls während der additiven Fertigung variiert wird. Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that the intensity of the energy beam is varied during additive manufacturing.
Die Variation der Relativgeschwindigkeit wie auch der Intensität des Energiestrahls können zeitlich und/oder örtlich erfolgen. So können für unterschiedliche Koordinaten in axialer Richtung, also parallel zur Rotationsachse des Basiselements, und/oder für unterschiedliche Schichten beim schichtweisen Aufbau von Bauteilen unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten und/oder Intensitäten vorgesehen werden. The variation of the relative speed as well as the intensity of the energy beam can take place in terms of time and / or location. Thus, different relative speeds and / or intensities can be provided for different coordinates in the axial direction, that is to say parallel to the axis of rotation of the base element, and / or for different layers when building components up in layers.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel und die Rotationsbewegung des Basiselements mit voneinander abweichenden Winkelgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Auf diese Weise kann die Relativgeschwindigkeit des Energiestrahls zum Ausgangsmaterial im Auftreffpunkten des Energiestrahls auf das Ausgangsmaterial beeinflusst werden, ohne die Rotationsgeschwindigkeit des Basiselements ändern zu müssen. Dies ist vorteilhaft, da das Basiselement zusammen mit dem Ausgangsmaterial im Vergleich zu den Energiestrahleinstrahlungsmitteln das wesentlich größere Trägheitsmoment aufweist. The method according to the invention can be carried out in such a way that the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the rotational movement of the base element are carried out at angular velocities that differ from one another. In this way, the relative speed of the energy beam to the starting material at the point of impact of the energy beam on the starting material can be influenced without having to change the rotational speed of the base element. This is advantageous because the base element, together with the starting material, has the significantly greater moment of inertia compared to the energy beam irradiation means.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Drehrichtung der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel und die Drehrichtung der Rotationsbewegung des Basiselements zueinander entgegengesetzt sind. Auf diese Weise wird eine Relativgeschwindigkeit zwischen Energiestrahl und Ausgangsmaterial erreicht, die die Umfangsgeschwindigkeit des mit dem Basiselement rotierenden Ausgangsmaterials deutlich übersteigt. Selbst verständlich können die Drehrichtung der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel und die Drehrichtung der Rotationsbewegung des Basiselements gleichgerichtet sein. Es kann auch die Drehrichtung der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel relativ zur Drehrichtung der Rotationsbewegung des Basiselements geändert werden, sodass ein größerer Bereich der Relativgeschwindigkeit zwischen Energiestrahl und Ausgangsmaterial genutzt werden kann. Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the direction of rotation of the rotational movement of the base element are opposite to one another. To this In this way, a relative speed between the energy beam and the starting material is achieved which clearly exceeds the peripheral speed of the starting material rotating with the base element. It goes without saying that the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means and the direction of rotation of the rotational movement of the base element can be rectified. It is also possible to change the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means relative to the direction of rotation of the rotational movement of the base element, so that a larger range of relative speed between the energy beam and the starting material can be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Winkelgeschwindigkeit der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel während der additiven Fertigung geändert wird. So könnte zum Beispiel diese Winkelgeschwindigkeit an eine sich verändernde, zum Beispiel zunehmende Schichtdicke des Ausgangsmaterials angepasst werden. Somit kann nicht nur, wie bereits erwähnt, die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Auftreffpunkt des Energiestrahls und dem Ausgangsmaterial bei Bedarf verändert werden, sondern es kann auf diese Weise auch darauf hingewirkt werden, die Relativgeschwindigkeit auch bei wachsender Schichtdicke des Ausgangsmaterials möglichst konstant zu halten, ohne hierfür die Winkelgeschwindigkeit des Basiselements ändern zu müssen. The method according to the invention can also be carried out in such a way that the angular speed of the rotational movement of the energy beam irradiation means or of at least some of the energy beam irradiation means is changed during additive manufacturing. For example, this angular velocity could be adapted to a changing, for example increasing, layer thickness of the starting material. Thus, not only, as already mentioned, the relative speed between the point of impact of the energy beam and the starting material can be changed if necessary, but it can also be worked towards keeping the relative speed as constant as possible even with increasing layer thickness of the starting material, without doing this having to change the angular velocity of the base element.
Über die Winkelgeschwindigkeit der Rotationsbewegung des Basiselements kann Einfluss z.B. auf die Porenbildung, den Energieeintrag oder bei Einsatz eines Gases, z. B. eines Schutzgases, auf den Gasstrom genommen werden. Es ist auch möglich, unterschiedliche Ausrichtungen der Rotationsachse der Rotationskomponente vorzusehen, z.B. parallel oder senkrecht zur Richtung der Gravitationsbeschleunigung, oder jede beliebige andere Ausrichtung. Während des Verfahrens kann Ausrichtung der Rotationsachse auch geändert werden. Liegt das Ausgangsmaterial beispielsweise in Pulverform vor, kann durch eine Variation der Winkelgeschwindigkeit die Pulverdynamik beeinflusst werden. Steigende Rotationsgeschwindigkeiten führen zu höheren Anpresskräften der Pulverpartikel aneinander in einem Pulverbett, wodurch Denudation, also ein ungewünschter Abtrag von Pulverpartikeln oder ganzen Schichten aufgrund von Gasströmen oder sonstigen Einflüssen, oder ein Abspritzen von Pulverpartikeln (Spatter Ejection) verringert werden können. Zudem kann über die Zentrifugalbeschleunigung die Größe und/oder Anzahl von Poren oder Gaseinschlüssen im Bauteil beeinflusst werden. Eine Einflussnahme über die Zentrifugalbeschleunigung ist auch bei anderen Formen des Ausgangsmaterials, zum Beispiel bei einem viskosen Ausgangsmaterial möglich. The angular speed of the rotational movement of the base element can influence, for example, the formation of pores, the energy input or when a gas is used, e.g. B. a protective gas, can be taken on the gas flow. It is also possible to provide different orientations of the axis of rotation of the rotational component, for example parallel or perpendicular to the direction of gravitational acceleration, or any other desired orientation. The orientation of the axis of rotation can also be changed during the procedure. If the starting material is in powder form, for example, the powder dynamics can be influenced by varying the angular velocity. Increasing rotational speeds lead to higher contact pressure between the powder particles in a powder bed, which can reduce denudation, i.e. undesired removal of powder particles or entire layers due to gas flows or other influences, or spraying of powder particles (spatter ejection). In addition, the size and / or number of pores or gas inclusions in the component can be influenced via the centrifugal acceleration. It is also possible to influence the centrifugal acceleration with other forms of the starting material, for example with a viscous starting material.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass der Betrag der auf das Ausgangsmaterial wirkenden Zentrifugalbeschleunigung mindestens dem Betrag der Gravitationsbeschleunigung entspricht. In diesem Fall ist es auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren zu betreiben, wenn die Basiselement-Rotationsachse der Rotationskomponente senkrecht zur Gravitationsbeschleunigung ausgerichtet ist. Die Zentrifugalbeschleunigung kann auch ein Mehrfaches der Gravitationsbeschleunigung, z.B. der Erdbeschleunigung, betragen, z.B. mindestens dem 1,5-fachen, weiter vorzugsweise mindestens dem Zweifachen des Betrages der Gravitationsbeschleunigung, in absoluten Zahlen bezogen auf die Erdbeschleunigung z.B. mindestens 15 m/s2, mindestens 20 m/s2 oderauch mindestens 50 m/s2 oder mindestens 100 m/s2. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Zentrifugalbeschleunigung gezielt einzustellen. The method according to the invention can be carried out in such a way that the amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material corresponds at least to the amount of the gravitational acceleration. In this case it is also possible to operate the method according to the invention when the base element rotation axis of the rotation component is oriented perpendicular to the gravitational acceleration. The centrifugal acceleration can also be a multiple of the gravitational acceleration, e.g. the acceleration due to gravity, e.g. at least 1.5 times, more preferably at least twice the amount of the gravitational acceleration, in absolute numbers based on the acceleration due to gravity e.g. at least 15 m / s 2 , at least 20 m / s 2 or at least 50 m / s 2 or at least 100 m / s 2 . In particular, it can be advantageous to set the centrifugal acceleration in a targeted manner.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, die Zentrifugalbeschleunigung während eines Fertigungsprozesses zu variieren, also zum Beispiel auch im Laufe der Fertigung desselben Bausteins. Damit kann während des Prozesses auf völlig neue Weise auf das Prozessgeschehen Einfluss genommen werden. So könnte durch eine Änderung der Zentrifugalbeschleunigung zum Beispiel die Dichte des Ausgangsmaterials beeinflusst werden, was wiederum Einfluss auf die Struktur eines zu fertigenden Bauteils haben kann. Es könnte z. B. erreicht werden, dass Gaseinschlüsse aufgrund höheren Druckes im Ausgangsmaterial in Richtung auf die Rotationsachse wandern und die Anzahl von Poren im Bauteil verringert wird. Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass das Bauteil mit Schichten aufgebaut wird, deren lokale Flächennormalen zumindest eine Hauptkomponente parallel oder antiparallel zur Zentrifugalbeschleunigung aufweisen. Das Ausgangsmaterial wird in der Regel eine innere Oberfläche annehmen, deren lokale Flächennormale antiparallel zur Zentrifugalbeschleunigung ausgerichtet ist. In entsprechender Weise können auch die im Bett des Ausgangsmaterials durch Verfestigung, zum Beispiel durch Schweißen, Sintern oder nach einem Schmelzen, erzeugten Bauteilschichten ausgerichtet sein. Die Abfolge der aufgebauten Bauteilschichten erstreckt sich somit in der Regel radial in Richtung auf die Basiselement-Rotationsachse. In addition, it can be advantageous to vary the centrifugal acceleration during a manufacturing process, for example also in the course of manufacturing the same module. This means that the process can be influenced in a completely new way during the process. For example, changing the centrifugal acceleration could influence the density of the starting material, which in turn can influence the structure of a component to be manufactured. It could e.g. B. can be achieved that gas inclusions migrate due to the higher pressure in the starting material in the direction of the axis of rotation and the number of pores in the component is reduced. Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that the component is built up with layers whose local surface normals have at least one main component parallel or antiparallel to the centrifugal acceleration. The starting material will usually assume an inner surface, the local surface normal of which is aligned antiparallel to the centrifugal acceleration. The component layers produced in the bed of the starting material by solidification, for example by welding, sintering or after melting, can also be aligned in a corresponding manner. The sequence of the built-up component layers thus generally extends radially in the direction of the axis of rotation of the base element.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass auf demselben Basiselement im selben Fertigungsverfahren mindestens zwei Bauteile aufgebaut werden. Diese Bauteile können in Umfangsrichtung und/oder Axialrichtung voneinander beabstandet sein. The method according to the invention can also be carried out in such a way that at least two components are built up on the same base element in the same manufacturing method. These components can be spaced apart from one another in the circumferential direction and / or in the axial direction.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so ausgeführt werden, dass auf dem Basiselement mindestens ein in Umfangsrichtung der Basisfläche geschlossenes Bauteil aufgebaut wird. Ein solches Bauteil kann zum Beispiel ringförmig, rohrförmig oder hohlzylinderförmig sein. Es können gleichzeitig oder nacheinander mehrere in Umfangsrichtung geschlossene Bauteile gefertigt werden, die in Axialrichtung zueinander beabstandet sind. Das Bauteil oder mindestens eines der Bauteile kann insbesondere rotationssymmetrisch sein. Furthermore, the method according to the invention can also be carried out in such a way that at least one component that is closed in the circumferential direction of the base surface is built up on the base element. Such a component can be, for example, ring-shaped, tubular or hollow-cylindrical. A plurality of components which are closed in the circumferential direction and which are spaced apart from one another in the axial direction can be manufactured simultaneously or one after the other. The component or at least one of the components can in particular be rotationally symmetrical.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass das Basiselement zumindest bereichsweise hohlzylinderförmig ist und als Basiselement- Rotationsachse der Rotationskomponente die Längsmittelachse der Hohlzylinderform verwendet wird. Furthermore, the method according to the invention can be carried out in such a way that the base element is at least regionally shaped as a hollow cylinder and the longitudinal center axis of the hollow cylinder shape is used as the base element axis of rotation of the rotational component.
Das Basiselement kann aber auch von der Hohlzylinderform abweichen oder Strukturen, zum Beispiel Vertiefungen, Kammern oder Stege, in der Basisfläche, aufweisen, welche die Form des zu erstellenden Bauteils mitbestimmen können. Die Bewegung des Basiselements kann auch von einer reinen Rotation abweichen. So kann die Rotation zum Beispiel mit weiteren Bewegungskomponenten, zum Beispiel einer Schwenkbewegung um eine zur Basiselement-Rotationsachse der Rotationskomponente senkrechten Schwenkachse oder mit Translationsbewegung(en), kombiniert werden, sodass weitere Einflussmöglichkeiten auf das zu verfestigende Ausgangsmaterial gegeben sind. The base element can, however, also deviate from the hollow cylindrical shape or have structures, for example depressions, chambers or webs, in the base surface, which can help determine the shape of the component to be produced. The movement of the base element can also deviate from a pure rotation. For example, the rotation can be combined with further movement components, for example a pivoting movement about a pivoting axis perpendicular to the base element rotational axis of the rotational component or with translational movement (s), so that further possibilities of influencing the starting material to be solidified are given.
Hinsichtlich einer Vorrichtung zur additiven Fertigung, umfassend ein Basiselement mit einer Basisfläche zur Aufnahme eines Ausgangsmaterials, zur Einstrahlung eines Energiestrahls in Richtung auf die Basisfläche eingerichtete Energiestrahleinstrahlungsmittel und Basiselementantriebsmittel zur Bewegung des Basiselements mit einer eine Basiselement-Rotationsachse aufweisenden Rotationskomponente, wobei die Basisfläche sich entlang einer zur Basiselement- Rotationsachse parallelen Richtung erstreckt, ist das technische Problem gelöst durch mindestens eine Energiestrahl-Rotationsachse für die Rotation zumindest eines Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel. With regard to a device for additive manufacturing, comprising a base element with a base surface for receiving a starting material, energy beam irradiation means set up for irradiating an energy beam in the direction of the base area, and base element drive means for moving the base element with a rotational component having a base element rotation axis, the base area extending along a extends in the direction parallel to the base element rotation axis, the technical problem is solved by at least one energy beam rotation axis for the rotation of at least part of the energy beam irradiation means.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Vorrichtungsansprüchen. Advantageous further developments result from the dependent device claims.
Eine Erstreckung der Basisfläche entlang der zur Basiselement-Rotationsachse parallelen Richtung bedeutet nicht, dass die Basisfläche einen zur Basiselement- Rotationsachse parallelen Flächenvektor aufweisen muss, also parallel zur Basiselement-Rotationsachse verläuft. In Richtung der Basiselement-Rotationsachse gesehen kann die Basisfläche also auch zumindest streckenweise geneigt verlaufen. Wie weiter unten ausgeführt wird, kann die Basisfläche also insbesondere von einer Hohlzylinderform abweichen. An extension of the base surface along the direction parallel to the base element axis of rotation does not mean that the base surface must have a surface vector parallel to the base element axis of rotation, that is, runs parallel to the base element axis of rotation. Seen in the direction of the base element axis of rotation, the base surface can therefore also run inclined at least in some sections. As will be explained further below, the base surface can therefore in particular deviate from a hollow cylindrical shape.
Die Energiestrahleinstrahlungsmittel können beispielsweise Mittel zur Strahlformung oder Mittel zur Strahlführung, z. B. eine oder mehrere Strahlungsleitfasern, Spiegel oder andere optische Elemente, oder eine Scannereinrichtung aufweisen. Der Energiestrahl kann ein Laserstrahl sein oder ein sonstiger zur Verfestigung des Ausgangsmaterial geeigneter Energiestrahl sein, z.B. ein Elektronenstrahl oder, insbesondere bei Flüssigkeiten als Ausgangsmaterial, ein mit UV-Strahlung gebildeter Strahl. The energy beam irradiation means can, for example, means for beam shaping or means for beam guidance, e.g. B. have one or more radiation guide fibers, mirrors or other optical elements, or a scanner device. The energy beam can be a laser beam or another one to solidify the starting material be a suitable energy beam, for example an electron beam or, especially in the case of liquids as the starting material, a beam formed with UV radiation.
Die Basiselementantriebsmittel sind so eingerichtet, das Basiselement mit einer hinreichend hohen Winkelgeschwindigkeit zu rotieren, um das Ausgangsmaterial aufgrund der auf ihm wirkenden Zentrifugalbeschleunigung auf der Basisfläche zu halten. Dabei entspricht vorzugsweise der Betrag der auf das Ausgangsmaterial wirkenden Zentrifugalbeschleunigung mindestens dem Betrag der Gravitationsbeschleunigung. The base element drive means are designed to rotate the base element at a sufficiently high angular velocity to hold the starting material on the base surface due to the centrifugal acceleration acting on it. The amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material preferably corresponds to at least the amount of the gravitational acceleration.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mindestens eine zur Energiestrahl- Rotationsachse zusätzliche Bewegungsachse für die Bewegung zumindest eines Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel aufweisen. Bei dem für die Rotation oder für die zusätzliche Bewegungsachse beweglichen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel kann es sich z. B. um einen Strahlausgang handeln, dem der Energiestrahl über geeignete Mittel zugeführt wird, z. B. Spiegel, Strahlführungsfaser und/oder anderen optischen Elementen. The device according to the invention can also have at least one additional axis of movement to the axis of rotation of the energy beam for the movement of at least part of the energy beam irradiation means. In the case of the part of the energy beam radiation means which is movable for the rotation or for the additional axis of movement, it can be, for. B. be a beam output to which the energy beam is supplied via suitable means, z. B. mirrors, beam guiding fibers and / or other optical elements.
Dabei kann mindestens eine der zusätzlichen Bewegungsachsen eine Schwenkachse sein. Somit ist es möglich, dass die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder deren beweglicher Teil mit dem Basiselement in gleicher Orientierung und Winkelgeschwindigkeit rotieren oder schwenken. Für den Schichtaufbau kann der Energiestrahl durch geeignete Mittel, wie zum Beispiel mit einer Scannereinrichtung oder mit sonstigen Strahlablenkungsmitteln, die Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder gesondert vorgesehen sind, über das Ausgangsmaterial geführt werden. Die Rotation oder die Schwenkbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des beweglichen Teils hiervon muss aber nicht zwangsläufig in der Winkelgeschwindigkeit mit der Rotation des Basiselements übereinstimmen. Es ist auch denkbar, die Rotation oder die Schwenkung der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des beweglichen Teils hiervon zeitweise auszusetzen oder eine Winkelgeschwindigkeit einzusetzen, welche von der Winkelgeschwindigkeit des Basiselements abweicht. Wenn die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder der bewegliche Teil hiervon nicht rotierend oder schwenkend sind oder in ihrer Winkelgeschwindigkeit von der des Basiselements abweichen, kann die Einstrahlung mit der Rotation des Basiselements koordiniert werden, zum Beispiel indem der Energiestrahl immer dann aktiviert oder zur Einstrahlung auf das Ausgangsmaterial oder das Bauteil freigegeben wird, wenn der zu bearbeitende Bereich des Ausgangsmaterials oder das bereits zum Teil gefertigte Bauteil eine geeignete Position erreicht hat. In diesem Fall ist eine gepulste Bestrahlung gegeben, also eine Bestrahlung, die während einer Umdrehung des Basiselements relativ zum Energieeinstrahlungsmittel einmal oder mehrfach unterbrochen wird. Die Einstrahlzeit lässt sich zum Beispiel aus der Rotationsgeschwindigkeit des Basiselements und dem aktuellen Innendurchmesser des Ausgangsmaterials, zum Beispiel des Pulverbetts, und dem Durchmesser des auftreffenden Energiestrahls berechnen. Des Weiteren können die Zeitpunkte, zu denen die Einstrahlung auf das Ausgangsmaterial oder das Bauteil einsetzt und/oder endet, mit der Winkelposition des Basiselements synchronisiert werden. Bei in Umfangsrichtung der Rotationsbewegung der Basisfläche geschlossenen Bauteilen kann die Strahleinwirkung auch im Zuge mindestens einer Umdrehung des Basiselements durchgehend erfolgen. At least one of the additional axes of movement can be a pivot axis. It is thus possible for the energy beam irradiation means or their movable part to rotate or pivot with the base element in the same orientation and angular speed. For the layer structure, the energy beam can be guided over the starting material by suitable means, for example with a scanner device or with other beam deflection means which are part of the energy beam irradiation means or are provided separately. The rotation or the pivoting movement of the energy beam irradiation means or of the movable part thereof does not necessarily have to match the rotation of the base element in terms of angular velocity. It is also conceivable to temporarily suspend the rotation or the pivoting of the energy beam irradiation means or of the movable part thereof or to use an angular velocity which deviates from the angular velocity of the base element. If the energy beam irradiation means or the movable part thereof are not rotating or pivoting or deviate in their angular velocity from that of the base element, the irradiation can be coordinated with the rotation of the base element, for example by activating the energy beam always then or for irradiating the starting material or the Component is released when the area of the starting material to be processed or the component that has already been partially manufactured has reached a suitable position. In this case, there is pulsed irradiation, that is to say irradiation which is interrupted once or several times during one revolution of the base element relative to the energy irradiation means. The irradiation time can be calculated, for example, from the rotational speed of the base element and the current inside diameter of the starting material, for example the powder bed, and the diameter of the incident energy beam. Furthermore, the times at which the irradiation on the starting material or the component begins and / or ends can be synchronized with the angular position of the base element. In the case of components that are closed in the circumferential direction of the rotational movement of the base surface, the effect of the jet can also take place continuously in the course of at least one rotation of the base element.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgeführt werden, dass mindestens eine der zusätzlichen Bewegungsachsen eine Translationsachse, insbesondere eine Linearachse ist. Eine solche Translationsachse kann auch zusätzlich zu der mindestens einen Rotationsachse für das Energiestrahleinstrahlungsmittel oder für das bewegliche Teil hiervon vorgesehen werden. Die mindestens eine Translationsachse kann insbesondere für eine Bewegung parallel und/oder senkrecht zur Basiselement- Rotationsachse vorgesehen sein. Dabei kann die Translationsachse, welche zumindest eine Komponente parallel zur Basiselement-Rotationsachse aufweist, derart ausgestaltet sein, dass sie ein Hineinfahren in einen Basiselement-Innenraum oder ein Herausfahren hieraus zumindest eines Teils der Energieeinstrahlungsmittel oder des beweglichen Teils hiervon ermöglicht. The device according to the invention can also be designed in such a way that at least one of the additional movement axes is a translation axis, in particular a linear axis. Such a translation axis can also be provided in addition to the at least one rotation axis for the energy beam radiation means or for the movable part thereof. The at least one translation axis can in particular be provided for a movement parallel and / or perpendicular to the base element rotation axis. The translation axis, which has at least one component parallel to the base element rotation axis, can be designed in such a way that it enables at least part of the energy irradiation means or the movable part thereof to be moved into or out of a base element interior.
Rotationsachsen, Schwenkachsen und Translationsachsen können sich im Bereich oder in der Nähe der Basiselement-Rotationsachse befinden oder einen radialen Abstand dazu aufweisen. Ein solcher Abstand kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn das Basiselement einen großen Durchmesser von zum Beispiel mehr als 1 m aufweist. Rotation axes, pivot axes and translation axes can be located in the area or in the vicinity of the base element rotation axis or have a radial distance from it. Such a distance can be particularly useful when when the base element has a large diameter of, for example, more than 1 m.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgeführt sein, dass Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten, innerhalb eines von der Basiselement-Rotationsachse durchlaufenen und zumindest zum Teil von der Basisfläche umgebenen Basiselement-Innenraums angeordnet sind oder für den Betrieb der Vorrichtung darin angeordnet werden können. The device according to the invention can also be designed so that means for applying the starting material and / or means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or means for supplying a gas and / or means for sucking off a gas or waste products, within a base element inner space traversed by the base element rotation axis and at least partially surrounded by the base surface are arranged or can be arranged therein for the operation of the device.
So können beispielsweise die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder ein Teil hiervon, z. B. der Strahlausgang der Energiestrahleinstrahlungsmittel, etwa mittig in der parallel zur Basiselement-Rotationsachse gegebenen axialen Erstreckung der Basisfläche angeordnet sein. Entsprechendes gilt für die weiteren vorgenannten im Basiselement- Innenraum angeordneten Mittel. Diese Mittel oder die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder der Teil hiervon können aber auch auf unterschiedlichen Positionen entlang der axialen Erstreckung angeordnet sein. For example, the energy beam radiation means or a part thereof, e.g. B. the beam output of the energy beam irradiation means, be arranged approximately centrally in the axial extension of the base surface given parallel to the base element rotation axis. The same applies to the other aforementioned means arranged in the interior of the base element. These means or the energy beam irradiation means or part thereof can, however, also be arranged at different positions along the axial extent.
Die vorgenannten Mittel, einschließlich der Energiestrahleinstrahlungsmittel oder des Teils hiervon, können sich aber auch derart in axialer Richtung erstrecken, dass die Basisfläche auf zumindest nahezu ihrer gesamten axialen Erstreckung bedient werden kann, z.B. mit Ausgangsmaterialauftrag und/oder Glätten, Verteilen oder Abtragen von Ausgangsmaterial und/oder Zuführung/Absaugen eines Gases. The aforementioned means, including the energy beam radiation means or part thereof, can also extend in the axial direction in such a way that the base surface can be operated over at least almost its entire axial extent, e.g. with the application of raw material and / or smoothing, distribution or removal of raw material and / or supply / suction of a gas.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten axial und/oder radial verschiebbar sind. Somit kann auf vielfältige Weise das Verfahren zur additiven Fertigung beeinflusst werden. Insbesondere ist es möglich, gleichzeitig an mindestens einer Stelle der Basisfläche das Ausgangsmaterial zu verfestigen und an mindestens einer anderen Stelle der Basisfläche Ausgangsmaterial aufzutragen. Die axiale Verschiebbarkeit kann dabei so weitgehend sein, dass der Strahlausgang und/oder die weiteren vorgenannten Mittel auch aus dem Basiselement hinausgeführt werden können. The device according to the invention can also be designed so that the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or of waste products are axially and / or radially displaceable. This means that the additive manufacturing process can be influenced in a variety of ways. In particular, it is possible to simultaneously solidify the starting material at at least one point on the base surface and to apply starting material to at least one other point on the base surface. The axial The displaceability can be so extensive that the beam outlet and / or the further aforementioned means can also be guided out of the base element.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten rotierbar oder schwenkbar, insbesondere mit einer zur Basiselement-Rotationsachse parallelen Rotations- oder Schwenkachse, gelagert sind. The device according to the invention can also be designed so that the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or of waste products are rotatably or pivotably mounted, in particular with a rotation or pivot axis parallel to the base element rotation axis.
Die Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten können synchron zum Basiselement rotieren oder schwenken oder sich auf einer Kreis oder Spiralbahn bewegen, um dem Bearbeitungsort, zum Beispiel am Bauteil, zu folgen. Es ist aber auch denkbar, die vorgenannten Mittel nicht oder mit einer von der Winkelgeschwindigkeit des Basiselements abweichenden Winkelgeschwindigkeit zu rotieren oder zu schwenken nutzen und stattdessen die Einstrahlung der Energiestrahlung mit der Rotation des Basiselements derart zu koordinieren, dass die Energiestrahlung nur im Bereich der zu fertigenden Schichten des Bauteils auf das Ausgangsmaterial auftrifft. In diesem Falle kann ein gepulster oder diskontinuierlicher Betrieb der Energiestrahleinstrahlungsmittel gegeben sein. The means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or waste products can rotate or pivot synchronously with the base element move on a circle or spiral path in order to follow the processing location, for example on the component. It is also conceivable, however, not to use the aforementioned means or to rotate or pivot them at an angular speed that deviates from the angular speed of the base element and instead to coordinate the radiation of the energy radiation with the rotation of the base element in such a way that the energy radiation is only in the area to be manufactured Layers of the component strikes the base material. In this case, there can be a pulsed or discontinuous operation of the energy beam radiation means.
Bei einer Schwenkbewegung oder einer Rotation des Mittels zum Auftrag des Ausgangsmaterials kann das Ausgangsmaterial zum Beispiel über eine Rotationsdurchführung zugeführt werden, z.B. über mindestens ein offenes axiales Ende des Basiselements. Es ist aber auch denkbar, den notwendigen Vorrat des Ausgangsmaterials oder einen Teil hiervon im Inneren des Basiselements anzuordnen. Falls erforderlich, kann zum Nachfüllen des Vorrats die Fertigung unterbrochen werden. In the event of a pivoting movement or a rotation of the means for applying the starting material, the starting material can be supplied, for example, via a rotary feedthrough, for example via at least one open axial end of the base element. However, it is also conceivable to arrange the necessary supply of the starting material or a part thereof in the interior of the base element. If necessary, production can be interrupted to refill the supply.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit unterschiedlichsten Größen des Basiselements gefertigt werden. Innere Durchmesser für die Basisfläche im Bereich von 1 m oder 2 m oder mehr sind denkbar und ermöglichen somit die Anordnung der benötigten Elemente, wie z. B. Energiestrahleinstrahlungsmittel oder der Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten, im Basiselement-Innenraum. Aber auch Durchmesser von deutlich weniger als 1 m können je nach gewünschter Geometrie selbstverständlich sinnvoll sein. The device according to the invention can be manufactured with the most varied of sizes of the base element. Inner diameter for the base area in the range of 1 m or 2 m or more are conceivable and thus enable the arrangement of the required elements, such as. B. Energy radiation means or the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or waste products, in the base element Inner space. However, diameters of significantly less than 1 m can of course also be useful, depending on the desired geometry.
Die Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials können durch eine einheitliche Einrichtung realisiert werden, z.B. durch einen Applikator für das Ausgangsmaterial und eine daran angeordnete Rakel. Die Mittel zum Verteilen des Ausgangsmaterials können auch solche sein, die mittels eines Gasstroms wirken, insbesondere Mittel, welche eine Düse, z. B. eine Schlitzdüse aufweisen. Der Gasstrom kann alternativ oder zusätzlich auch zum Glätten eingesetzt werden. The means for applying the starting material and the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material can be implemented by a unitary device, for example by an applicator for the starting material and a doctor blade arranged thereon. The means for distributing the starting material can also be those which act by means of a gas stream, in particular means which have a nozzle, e.g. B. have a slot nozzle. The gas flow can alternatively or additionally also be used for smoothing.
Der besondere Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlaubt es zudem, den Bauraum für das Basiselement oder die gesamte Vorrichtung in axialer Richtung unabhängig vom Durchmesser des Basiselements auf einfache Weise zu verändern. Somit kann in axialer Richtung die nutzbare Basisfläche bei Bedarf erweitert oder verkürzt werden, zum Beispiel durch einen Austausch des Basiselements oder Verwendung eines in der axialen Ausdehnung veränderbaren Basiselements. The special design of the device according to the invention also allows the installation space for the base element or the entire device to be changed in the axial direction in a simple manner, regardless of the diameter of the base element. The usable base area can thus be expanded or shortened in the axial direction if necessary, for example by replacing the base element or using a base element whose axial extent can be changed.
Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgebildet sein, dass in einer zur Basiselement-Rotationsachse senkrechten Schnittebene die Basisfläche die Basiselement-Rotationsachse zumindest auf dem überwiegenden Umfang konzentrisch umschließt. Soweit die Basisfläche die Basiselement-Rotationsachse über sämtliche die Basisfläche schneidenden Schnittebenen konzentrisch und vollständig umschließt, bildet die Basisfläche einen Rotationskörper. Die Basisfläche kann aber auch einem unvollständigen Rotationskörper entsprechen, der in Umfangsrichtung die Basiselement-Rotationsachse nicht vollständig umschließt, sondern in Umfangsrichtung mindestens eine Unterbrechung aufweist, so dass Strahlung oder Materie von außen in den Basiselement-Innenraum eingeführt werden kann oder den Basiselement- Innenraum verlassen kann, z.B. zum Entfernen überschüssigen Ausgangsmaterials. Furthermore, the device according to the invention can also be designed in such a way that, in a sectional plane perpendicular to the base element rotation axis, the base surface concentrically encloses the base element rotation axis at least over the predominant circumference. Insofar as the base surface concentrically and completely surrounds the base element axis of rotation over all cutting planes intersecting the base surface, the base surface forms a body of revolution. However, the base surface can also correspond to an incomplete body of revolution which does not completely surround the base element axis of rotation in the circumferential direction, but rather has at least one interruption in the circumferential direction, so that radiation or matter from the outside in the base element interior can be introduced or can leave the base element interior, for example to remove excess starting material.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass die Basisfläche zumindest in einem sich in einer zur Basiselement-Rotationsachse parallelen Richtung erstreckenden Teilbereich und zumindest auf dem überwiegenden Umfang zylinderflächenförmig ist. So kann das Basiselement z. B. streckenweise als Hohlzylinder ausgeformt sein. The device according to the invention can also be designed in such a way that the base surface is cylindrical in shape at least in a partial area extending in a direction parallel to the base element rotation axis and at least over the predominant circumference. So the base element z. B. be shaped in places as a hollow cylinder.
Die Basisfläche kann in Richtung seiner axialen Erstreckung gesehen an ihren Enden jeweils sich von der Basisfläche, vorzugsweise senkrecht, in Richtung auf die Basiselement-Rotationsachse erstreckende Abschlusswände aufweisen, die das Ausgangsmaterial, zumindest während der Rotation des Basiselements im Basiselement halten. Mindestens eine Abschlusswand kann auch beweglich oder entfernbar sein, um ein Entleeren des Basiselements zu erleichtern. The base surface, viewed in the direction of its axial extent, can have end walls at its ends which extend from the base surface, preferably perpendicularly, in the direction of the base element rotation axis and which hold the starting material in the base element at least during the rotation of the base element. At least one end wall can also be movable or removable in order to facilitate emptying of the base element.
Grundsätzlich kann das Basiselement an einem oder beiden axialen Enden so weit geöffnet sein, dass hierüber der Energiestrahl oder Ausgangsmaterial oder weitere Elemente, z. B. die Energiestrahleinstrahlungsmittel oder eines Teils hiervon und/oder die Mittel zum Aufträgen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten, zugeführt werden können. Hierfür kann das Basiselement an beiden Enden völlig frei von Wänden oder Halterungen sein. Lagerung und/oder Antrieb des Basiselements können bei Bedarf von außen, zum Beispiel über Walzen, erfolgen. In principle, the base element can be opened so wide at one or both axial ends that the energy beam or starting material or other elements, e.g. B. the energy beam irradiation means or a part thereof and / or the means for applying the starting material and / or the means for smoothing, distributing and / or removing the starting material and / or the means for supplying a gas and / or the means for sucking off a gas or from waste products. For this purpose, the base element can be completely free of walls or brackets at both ends. If necessary, the base element can be supported and / or driven from the outside, for example by means of rollers.
Soweit die bisherige Beschreibung und die Ansprüche das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Bauteil, einem Basiselement, einer Basisfläche oder einem Energiestrahl, oder sonstigen Elementen jeweils im Singular darstellt, so ist dies beispielhaft und keine Einschränkung. So umfasst die Erfindung auch Varianten mit mehr als einem dieser Elemente, z.B. können zwei oder mehr jeweils mindestens eine Basisfläche aufweisende Basiselemente oder zwei oder mehr Energiestrahlen vorgesehen sein. Es können auch mehrere gegeneinander abgegrenzte Basisflächen in dem Basiselement oder in mindestens einem der Basiselemente verwirklicht sein. Insofar as the previous description and claims represent the method according to the invention and the device according to the invention with a component, a base element, a base surface or an energy beam, or other elements in each case in the singular, this is exemplary and not a restriction. The invention thus also includes variants with more than one of these elements, for example two or more base elements each having at least one base area or two or more energy beams can be provided. There can also be several mutually delimited base surfaces can be realized in the base element or in at least one of the base elements.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Figuren beschrieben. In the following, preferred exemplary embodiments of the method according to the invention and the device according to the invention are described with reference to figures.
Es zeigt schematisch und in Teildarstellung It shows schematically and in partial representation
Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen im axialen Querschnitt, 1: a first embodiment of a system for selective laser melting in axial cross section,
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen im seitlichen Querschnitt, 2: a second embodiment of a system for selective laser melting in a lateral cross-section,
Fig. 3: eine dritte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit Fertigung eines rotationssymmetrischen Bauteils mit innenliegenden Strukturen, 3: a third embodiment of a system for selective laser melting with production of a rotationally symmetrical component with internal structures,
Fig. 4: eine vierte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit zwei Laseroptiken für eine parallele Bearbeitung, und 4: a fourth embodiment of a system for selective laser melting with two laser optics for parallel processing, and
Fig. 5: eine fünfte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen. 5: a fifth embodiment of a system for selective laser melting.
Die Figuren zeigen die jeweilige Anlage zum selektiven Laserschmelzen nicht in Ihrer Vollständigkeit, sondern jeweils beschränkt auf die für die Erfindung wesentlichen Bestandteile. So verfügen die Anlagen jeweils insbesondere noch über Antriebsmittel, Steuereinheiten sowie Zuführeinrichtungen für Laserstrahlung und Ausgangsmaterial. The figures do not show the respective system for selective laser melting in their completeness, but rather limited in each case to the components essential for the invention. In particular, the systems still have drive means, control units and feed devices for laser radiation and raw material.
Fig. 1 zeigt schematisch in einem axialen Querschnitt eine erste Ausführungsform 1 einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen (im Folgenden kurz erste LPBF-Anlage 1 genannt). Die erste LPBF-Anlage 1 weist ein Basiselement 2 auf, von dem in der Darstellung der Fig. 1 allein eine hohlzylinderförmige Basisfläche 3 zu erkennen ist. Das Basiselement 2 wird durch hier nicht dargestellte Antriebsmittel rotiert. Die Antriebsmittel können z.B. von außen form- oder kraftschlüssig auf das Basiselement 2 wirken. Als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung wird hier beispielhaft ein Pulver 4 eingesetzt, welches mit einem Pulverapplikator 5 auf die Basisfläche 3 aufgetragen wird. Aufgrund der in ihrer Richtung durch einen Pfeil dargestellten Rotationsbewegung um eine Basiselement-Rotationsachse, welche senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft, und der damit einhergehenden Zentrifugalbeschleunigung bleibt das Pulver 4 auf der Basisfläche 3. Mit dem Pulverauftrag wird ein Pulverbett 7 erzeugt. Der Pulverapplikator 5 kann in Umfangsrichtung relativ zur Basisfläche 3 verfahren werden, z.B. allein durch die Rotation des Basiselements 2 oder zusätzlich durch gesonderte, hier nicht dargestellte Antriebsmittel. 1 shows schematically in an axial cross section a first embodiment 1 of a system for selective laser melting (hereinafter referred to as the first LPBF system 1 for short). The first LPBF system 1 has a base element 2, of which only a hollow cylindrical base surface 3 can be seen in the illustration in FIG. 1. The base element 2 is rotated by drive means not shown here. The drive means can, for example, act on the base element 2 from the outside in a form-fitting or force-fitting manner. A powder 4, which is applied to the base surface 3 with a powder applicator 5, is used here as an example of the starting material for additive manufacturing. Due to the direction of rotation around a base element rotation axis, which runs perpendicular to the plane of the drawing, and the associated centrifugal acceleration, the powder 4 remains on the base surface 3. With the powder application, a powder bed 7 is created. The powder applicator 5 can be moved in the circumferential direction relative to the base surface 3, for example solely by rotating the base element 2 or additionally by separate drive means (not shown here).
Eine Rakel 6 sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers 4. Ein Energiestrahl in Form eines Laserstrahls 8 wird über eine Laseroptik 9 auf das Pulverbett 7 eingestrahlt. Mit dem Laserstrahl 8 wird das Pulver im Pulverbett 7 in einer Schicht selektiv aufgeschmolzen, wobei die lateralen Schichtdimensionen des zu erstellenden Bauteils durch eine Bewegung des Laserstrahls 8 und die Schichtdicken durch die Höhe der jeweils neuen Pulverschicht bestimmt werden. Mit dem Erkalten der aufgeschmolzenen Schicht verfestigt sich das Material zu einer ersten Schicht eines gewünschten Bauteils 10, welches auf diese Weise sukzessive aufgebaut wird. Die korrekte Fokussierung des Laserstrahls 8 auf das Pulverbett kann durch eine Veränderung der Laseroptik 9 erfolgen oder durch ein Verschieben der Laseroptik 9 relativ zur Basiselement- Rotationsachse erreicht werden. Die Verschiebung der Laseroptik 9 kann zum Beispiel über eine erste Linearachse 11 erfolgen. A doctor blade 6 ensures uniform distribution of the powder 4. An energy beam in the form of a laser beam 8 is radiated onto the powder bed 7 via laser optics 9. With the laser beam 8, the powder is selectively melted in a layer in the powder bed 7, the lateral layer dimensions of the component to be created being determined by a movement of the laser beam 8 and the layer thicknesses being determined by the height of the new powder layer. As the melted layer cools, the material solidifies to form a first layer of a desired component 10, which is built up successively in this way. The correct focusing of the laser beam 8 on the powder bed can be achieved by changing the laser optics 9 or by shifting the laser optics 9 relative to the axis of rotation of the base element. The displacement of the laser optics 9 can take place, for example, via a first linear axis 11.
Die Laseroptik 9 kann auch in weiteren Richtungen bewegt werden, zum Beispiel über eine zweite, hier nicht dargestellte Linearachse, parallel zur Basiselement- Rotationsachse. Alternativ kann die Laseroptik sich über die gesamte, für die Fertigung des Bauteils benötigte axiale Länge erstrecken oder auf eine entsprechende Strecke mittels einer hier nicht gesondert dargestellten Scannereinheit einwirken, so dass eine Verschiebung der Laseroptik 9 parallel zur Basiselement-Rotationsachse nicht erforderlich ist. Die Laseroptik ist so gelagert, dass sie um eine zur Basiselement-Rotationsachse parallele, vorzugsweise koaxiale, Energiestrahl-Rotationsachse rotiert werden kann., wie in Fig. 5 anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels näher erläutert ist. The laser optics 9 can also be moved in further directions, for example via a second linear axis, not shown here, parallel to the base element rotation axis. Alternatively, the laser optics can extend over the entire axial length required for the production of the component or act on a corresponding distance by means of a scanner unit not shown separately here, so that a displacement of the laser optics 9 parallel to the base element rotation axis is not necessary. The laser optics are mounted in such a way that they can be rotated about a preferably coaxial, energy beam rotation axis parallel to the base element rotation axis, as is explained in more detail in FIG. 5 on the basis of a further exemplary embodiment.
Mittels eines Schutzgas-Applikators 12 wird im Bereich der additiven Fertigung ein Schutzgas ausgegeben, welches mittels eines Gassammlers 13 aufgefangen wird. Es ist ersichtlich, dass der Auftrag des Pulvers 4 und die Fertigung des Bauteils 10 gleichzeitig erfolgen können. A protective gas is emitted in the area of additive manufacturing by means of a protective gas applicator 12, which is collected by means of a gas collector 13. It can be seen that the application of the powder 4 and the production of the component 10 can take place simultaneously.
Der vom Schutzgas-Applikator 12 emittierte Gasstrom kann auch die Verteilung und Glättung des Pulvers 4 im Pulverbett 7 unterstützen oder auch bewirken, sodass auf die Rakel 6 verzichtet werden kann. The gas flow emitted by the protective gas applicator 12 can also support or even effect the distribution and smoothing of the powder 4 in the powder bed 7, so that the doctor blade 6 can be dispensed with.
Der Schutzgas-Applikator 12, der Gassammler 13 und/oder der Pulverapplikator 5 können radial und/oder axial verfahrbar sein. Die radiale Verfahrbarkeit ist hilfreich zu Anpassung an das wachsende Bauteil. Die axiale Verfahrbarkeit kann zur Anpassung an einen sich in axialer Richtung verschiebenden Bearbeitungsbereich dienen. Der Schutzgas-Applikator 12, der Gassammler 13, und/oder der Pulverapplikator 5 können sich aber auch in axialer Richtung über den gesamten Bearbeitungsbereich erstrecken. The protective gas applicator 12, the gas collector 13 and / or the powder applicator 5 can be moved radially and / or axially. The radial movability is helpful for adapting to the growing component. The axial displaceability can serve to adapt to a machining area that is shifting in the axial direction. The protective gas applicator 12, the gas collector 13, and / or the powder applicator 5 can, however, also extend in the axial direction over the entire processing area.
Die Laseroptik 9, der Schutzgas-Applikator 12, der Gassammler 13 und/oder der Pulverapplikator 5 können synchron, d.h. mit identischer Winkelgeschwindigkeit zum Basiselement 2 rotieren, schwenken oder sich auf einer Kreis- oder Spiralbahn bewegen, um dem Bearbeitungsort, zum Beispiel am Bauteil 10, zu folgen. Die Laseroptik 9 kann in diesem Fall kontinuierlich betrieben werden. Es ist aber auch denkbar, zum Beispiel die Laseroptik 9 um ihre Energiestrahl-Rotationsachse zeitweise nicht oder mit einer von der Winkelgeschwindigkeit des Basiselements abweichenden Winkelgeschwindigkeit zu rotieren und die Lasereinstrahlung mit der Rotation des Basiselements 2 derart zu koordinieren, dass die Laserstrahlung nur im Bereich der zu fertigenden Schichten des Bauteils 10 auf das Pulverbett 7 auftrifft. In diesem Falle ist ein gepulster oder diskontinuierlicher Betrieb des Lasers gegeben. Fig. 2 zeigt schematisch im Querschnitt eine zweite LPBF-Anlage 14 mit einem eine hohlzylinderförmige Basisfläche 15 aufweisenden Basiselement 16, welches trommelförmig ist und einen Antriebsstutzen 17 für den Eingriff eines hier nicht dargestellten Antriebselements für das Basiselement 16 aufweist. Das Basiselement 16 umfasst neben einem Bodenstück 18 und der Umfangswand 19 für die Basisfläche 15 eine vordere Abschlusswand 20 mit einer Öffnung 21 , welche den Zugang für eine Laseroptik 22 mit einer Zuleitung 28 und einer axialer Linearführung 23 erlaubt. Außerhalb des Basiselements 16 ist eine radiale Linearführung 27 für die Laseroptik 22 vorgesehen. Die radiale Linearführung 27 kann alternativ auch innerhalb des Basiselements 16 angeordnet werden. Die Linearführungen 23 und 27 sind lediglich symbolisch dargestellt und auf hier nicht gezeigte Weise mit den ebenfalls nicht dargestellten Mitteln zur Lagerung und zum Antrieb einer Rotation der Laseroptik 22 kombiniert. The laser optics 9, the protective gas applicator 12, the gas collector 13 and / or the powder applicator 5 can rotate synchronously, ie with the same angular speed as the base element 2, pivot or move on a circular or spiral path around the processing location, for example on the component 10, to follow. The laser optics 9 can be operated continuously in this case. However, it is also conceivable, for example, not to rotate the laser optics 9 about its energy beam rotation axis at times or to rotate at an angular speed that deviates from the angular speed of the base element and to coordinate the laser radiation with the rotation of the base element 2 in such a way that the laser radiation is only in the area of the Layers of the component 10 to be manufactured impinges on the powder bed 7. In this case, pulsed or discontinuous operation of the laser is given. 2 shows schematically in cross section a second LPBF system 14 with a base element 16 having a hollow cylindrical base surface 15, which is drum-shaped and has a drive connector 17 for the engagement of a drive element (not shown here) for the base element 16. In addition to a bottom piece 18 and the peripheral wall 19 for the base surface 15, the base element 16 comprises a front end wall 20 with an opening 21 which allows access for laser optics 22 with a feed line 28 and an axial linear guide 23. A radial linear guide 27 for the laser optics 22 is provided outside the base element 16. The radial linear guide 27 can alternatively also be arranged within the base element 16. The linear guides 23 and 27 are shown only symbolically and are combined in a manner not shown here with the means for mounting and driving a rotation of the laser optics 22, also not shown.
Weitere Elemente, wie z. B. ein Pulverapplikator oder ein Schutzgas-Applikator, sind der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt, können aber über die Öffnung 21 ebenfalls eingeführt werden und in ihrer räumlichen Position veränderbar sein, zum Beispiel über Linearführungen oder über Rotations- oder Schwenkachsen. Other elements, such as B. a powder applicator or a protective gas applicator, are not shown in Fig. 2 for the sake of clarity, but can also be introduced via the opening 21 and their spatial position can be changed, for example via linear guides or via rotary or pivot axes.
Mit der dargestellten zweiten LPBF-Anlage 14 werden zum Beispiel zwei Bauteile 24 und 25 gefertigt, die in Umfangsrichtung des Basiselements 16 geschlossen sein können und beispielsweise jeweils eine Ringform aufweisen. With the illustrated second LPBF system 14, two components 24 and 25 are produced, for example, which can be closed in the circumferential direction of the base element 16 and, for example, each have a ring shape.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Basiselement 29 mit Basisfläche 30 einer dritten LPBF- Anlage 26 im Querschnitt, wobei das Basiselement 29 in Richtung des Pfeiles rotiert. Im Basiselement 29 ist eine Laseroptik 31 angeordnet, mittels der durch additive Fertigung aus einem Pulverbett 32 ein ringförmig geschlossenes Bauteil 33 mit Hohlräumen 34 hergestellt wird, von denen nur einer mit einer Bezugszahl versehen ist. Die Energiestrahl-Rotationsachse (siehe 46 für das vierte Ausführungsbeispiel in Fig. 4) für die Laseroptik 31 ist hier nicht eingezeichnet. 3 shows schematically a base element 29 with a base surface 30 of a third LPBF system 26 in cross section, the base element 29 rotating in the direction of the arrow. Arranged in the base element 29 are laser optics 31, by means of which, by additive manufacturing, an annularly closed component 33 with cavities 34 is produced from a powder bed 32, only one of which is provided with a reference number. The axis of rotation of the energy beam (see 46 for the fourth exemplary embodiment in FIG. 4) for the laser optics 31 is not shown here.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Basiselement 35 mit Basisfläche 36 einer vierten LPBF- Anlage 37 im Querschnitt, wobei das Basiselement 35 in Richtung des Pfeiles um die Basiselement-Rotationsachse rotiert. Im Basiselement 35 sind eine erste Laseroptik 38 und eine zweite Laseroptik 39 angeordnet, die gleichzeitig unterschiedliche Stellen eines Pulverbettes 40 mit Laserstrahlung 41 für die gleichzeitige Schichtbildung an zwei unterschiedlichen Bauteilen 42 und 43 beaufschlagen. Die erste Laseroptik 38 und die zweite Laseroptik 39 können um die zur Basiselement-Rotationsachse koaxiale Energiestrahl-Rotationsachse 46 rotiert werden, wobei die Winkelgeschwindigkeit der Laseroptiken 38 und 39 mit der des Basiselements 35 zeitweise identisch sein kann oder hiervon abweichend, um die Ausrichtung der Laserstrahlen 41 relativ zum Basiselement 35 zu ändern. Wenn das Basiselement 35 in seiner Winkelstellung relativ zu den Laseroptiken 38 und 39 um einen geeigneten Winkel weiterrotiert ist, können die Laseroptiken 38 und 39 zwei weitere Bauteile 44 und 45 gleichzeitig mit jeweils einer Schicht versehen. Mittels der beiden Laseroptiken 38 und 39 kann auch ein sich in Umfangsrichtung weiter ausdehnendes, insbesondere ein in Umfangsrichtung geschlossenes Bauteil gleichzeitig an unterschiedlichen Stellen bearbeitet werden. Hier nicht dargestellte Mittel zum Auftrag des Pulvers und/oder zur Beströmung mit einem Schutzgas können ebenfalls - zum Beispiel entsprechend der Anzahl der Laseroptiken 38, 39 - mehrfach vorgesehen werden. Fig. 4 shows schematically a base element 35 with a base surface 36 of a fourth LPBF system 37 in cross section, the base element 35 in the direction of the arrow around the Base element rotation axis rotates. In the base element 35, a first laser optics 38 and a second laser optics 39 are arranged, which simultaneously apply laser radiation 41 to different locations of a powder bed 40 for the simultaneous formation of layers on two different components 42 and 43. The first laser optics 38 and the second laser optics 39 can be rotated around the energy beam rotation axis 46 which is coaxial to the base element rotation axis, wherein the angular speed of the laser optics 38 and 39 can be temporarily identical to that of the base element 35 or different therefrom, around the alignment of the laser beams 41 to change relative to the base element 35. When the base element 35 is further rotated in its angular position relative to the laser optics 38 and 39 by a suitable angle, the laser optics 38 and 39 can provide two further components 44 and 45 each with a layer at the same time. By means of the two laser optics 38 and 39, a component that expands further in the circumferential direction, in particular one that is closed in the circumferential direction, can be processed simultaneously at different points. Means, not shown here, for applying the powder and / or for flowing a protective gas through it can also be provided multiple times, for example corresponding to the number of laser optics 38, 39.
Fig. 5 zeigt eine fünfte LPBF-Anlage 50 mit einem eine Basisfläche 52 aufweisenden Basiselement 51. Ein als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung zu verwendendes Pulver ist nicht dargestellt. Das Basiselement 51 wird mittels hier nicht dargestellter Mittel zur Rotation mit einer Winkelgeschwindigkeit wi, symbolisiert durch den Pfeil 53, angetrieben. Der Antrieb kann z.B. form- oder kraftschlüssig an der Außenseite des Basiselements 51 angreifen. Über eine Lagerung 54 ist eine Hohlwelle 55 in das Innere des Basiselements 51 geführt. Die Lagerung erlaubt zwischen Basiselement 51 und Hohlwelle 55 sowohl eine Rotationsbewegung als auch eine durch den Doppelpfeil angedeutete Axialverschiebung. Über hier nicht dargestellte Antriebsmittel wird die Hohlwelle 55 zu einer Rotation mit der Winkelgeschwindigkeit 002, symbolisiert durch den Pfeil 56, angetrieben. 5 shows a fifth LPBF system 50 with a base element 51 having a base area 52. A powder to be used as a starting material for additive manufacturing is not shown. The base element 51 is driven by means of means, not shown here, for rotation at an angular velocity wi, symbolized by the arrow 53. The drive can act on the outside of the base element 51 in a form-fitting or force-fitting manner, for example. A hollow shaft 55 is guided into the interior of the base element 51 via a bearing 54. The mounting allows both a rotational movement and an axial displacement indicated by the double arrow between the base element 51 and the hollow shaft 55. The hollow shaft 55 is driven to rotate at the angular speed 002, symbolized by the arrow 56, via drive means (not shown here).
In die Hohlwelle 55 wird über eine Drehkopplung 57 Laserstrahlung 58 aus einer hier nicht dargestellten Laserquelle eingekoppelt. Die Drehkopplung ermöglicht es, die nicht dargestellte Strahlungsquelle ohne Drehbewegung zu betreiben. Der Drehkopplung 57 ist in Strahlrichtung ein optischer Baustein 59, hier lediglich symbolisiert durch drei optische Linsen 60, vorgeschaltet, mit dem eine kontrollierte Fokusverstellung für den Laserstrahl 58 möglich ist. Laser radiation 58 from a laser source, not shown here, is coupled into the hollow shaft 55 via a rotary coupling 57. The rotary coupling makes it possible to operate the radiation source (not shown) without a rotary movement. The rotary coupling 57 an optical module 59, here merely symbolized by three optical lenses 60, is connected upstream in the beam direction, with which a controlled focus adjustment for the laser beam 58 is possible.
Die Hohlwelle 55 weist an ihrem vorderen Ende ein Spiegelelement 61 auf, welches in dem dargestellten Beispiel für eine steuerbare Scan- oder Schwenkbewegung gelagert ist. Es kann aber auch ein feststehendes Spiegelelement mit einem festen Winkel von z.B. 90° vorgesehen werden, d.h. ohne Scanvorrichtung, vorgesehen werden. Mittels des Spiegelelements kann somit der Fokus der Laserstrahlung z.B. parallel zur Hohlwelle 55, d.h. in axialer Richtung, oder auch in anderen Richtungen auf der Basisfläche 52 oder einer hier nicht dargestellten Pulverfläche kontrolliert verfahren werden. Dies kann im Falle der Scan- oder Schwenkvorrichtung durch entsprechende Änderung des Neigungswinkels des Spiegelelements 61 oder bei einem Spiegelelement mit festem Ablenkwinkel durch axiale Verschiebung erfolgen. Anstelle eines Spiegels können selbstverständlich auch alternative optische Ablenkeinrichtungen, wie z.B. ein Prisma, eingesetzt werden. Mit sich ändernder Dicke der Pulverschicht kann die Fokusposition mittels des optischen Bausteins 59 angepasst werden. At its front end, the hollow shaft 55 has a mirror element 61 which, in the example shown, is mounted for a controllable scanning or pivoting movement. However, a fixed mirror element with a fixed angle of e.g. 90 ° can also be provided, i.e. without a scanning device. By means of the mirror element, the focus of the laser radiation can thus be moved in a controlled manner, e.g. parallel to the hollow shaft 55, i.e. in the axial direction, or in other directions on the base surface 52 or a powder surface (not shown here). In the case of the scanning or pivoting device, this can be done by correspondingly changing the angle of inclination of the mirror element 61 or, in the case of a mirror element with a fixed deflection angle, by axial displacement. Instead of a mirror, alternative optical deflection devices, such as a prism, can of course also be used. As the thickness of the powder layer changes, the focus position can be adjusted by means of the optical module 59.
Die Winkelgeschwindigkeit 00256 der Hohlwelle 55 entspricht der Winkelgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl 58 um seine Energiestrahl- Rotationsachse, hier übereinstimmend mit der Mittellängsachse der Hohlwelle 55, rotiert. Die Winkelgeschwindigkeit 00256 der Hohlwelle 55 kann mit der Winkelgeschwindigkeit wi 53 des Basiselements 51 übereinstimmen, sodass der Energiestrahl 58 auf der einen Seite und die Basisfläche 52 bzw. die Oberfläche einer hier nicht dargestellten Pulverschicht auf der anderen Seite an der Auftreffstelle des Laserstrahls 58 keine Relativbewegung zueinander aufweisen, wenn man von einer durch den Spiegel 61 kontrollierten Scanbewegung absieht. The angular speed 00256 of the hollow shaft 55 corresponds to the angular speed with which the laser beam 58 rotates about its energy beam axis of rotation, here coinciding with the central longitudinal axis of the hollow shaft 55. The angular speed 00256 of the hollow shaft 55 can match the angular speed wi 53 of the base element 51, so that the energy beam 58 on the one hand and the base surface 52 or the surface of a powder layer (not shown here) on the other side at the point of impact of the laser beam 58 does not have any relative movement have to each other, if one disregards a scanning movement controlled by the mirror 61.
Es ist vorteilhaft, unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten 00256 der Hohlwelle 55 und wi 53 des Basiselements 51 zu wählen, damit sich, unter Vernachlässigung einer eventuellen Scanbewegung des Laserstrahls 58 eine Relativgeschwindigkeit zwischen auftreffendem Laserstrahl 58 und Oberfläche der Pulverschicht ergibt. Diese Relativgeschwindigkeit bestimmt die Geschwindigkeit des Prozessfortschrittes und beträgt z.B. mind. 100 mm/s, typischerweise 200 mm/s und bis zu 2 m/s oder auch bis zu max. 5 m/s, Die Relativbewegung kann erreicht werden mit 002 > wi oder mit 002 < wi. Die Relativbewegung kann auch dadurch erreicht werden, dass Hohlwelle 55 und Basiselement 51 entgegengesetzte Drehrichtungen aufweisen. It is advantageous to choose different angular velocities 00256 of the hollow shaft 55 and wi 53 of the base element 51 so that, neglecting a possible scanning movement of the laser beam 58, there is a relative velocity between the incident laser beam 58 and the surface of the powder layer. This Relative speed determines the speed of the process progress and is, for example, at least 100 mm / s, typically 200 mm / s and up to 2 m / s or up to a maximum of 5 m / s. The relative movement can be achieved with 002> wi or with 002 <wi. The relative movement can also be achieved in that the hollow shaft 55 and base element 51 have opposite directions of rotation.
Die Relativgeschwindigkeit muss während des Fertigungsprozesses nicht konstant sein, sondern kann auch verändert werden. So können z.B. unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten an verschiedenen axialen Positionen vorgesehen werden. Bauteile werden bei der additiven Fertigung in aufeinander folgenden Schichten gefertigt. Es können für unterschiedliche Schichten des Bauteils unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten vorgesehen werden. Außerdem ist eine örtliche Variation der Intensität des Laserstrahls für verschiedene axiale Positionen und unterschiedliche Schichten möglich. The relative speed does not have to be constant during the manufacturing process, but can also be changed. For example, different relative speeds can be provided at different axial positions. With additive manufacturing, components are manufactured in successive layers. Different relative speeds can be provided for different layers of the component. In addition, a local variation of the intensity of the laser beam for different axial positions and different layers is possible.
Sämtliche vorgestellten Ausführungsbeispiele können hinsichtlich der Anzahl der vorgestellten Elemente, wie Laseroptiken, Bauteilen, Pulverapplikatoren, Rakel, Schutzgas-Applikatoren und/oder Gassammlern, in geeigneter Weise variiert werden. Als Ausgangsmaterial ist anstelle von Pulver in den dargestellten Ausführungsbeispielen auch ein alternatives Material, wie zum Beispiel ein viskoses Ausgangsmaterial, z.B. eine Flüssigkeit, denkbar. Zudem kann anstelle der Laserstrahlung auch eine alternative Energiestrahlung, zum Beispiel Elektronenstrahlung oder ultraviolette Strahlung (UV-Strahlung), eingesetzt werden. All of the exemplary embodiments presented can be varied in a suitable manner with regard to the number of elements presented, such as laser optics, components, powder applicators, squeegees, inert gas applicators and / or gas collectors. Instead of powder, an alternative material, such as a viscous starting material, for example a liquid, is also conceivable as the starting material in the exemplary embodiments shown. In addition, an alternative energy radiation, for example electron radiation or ultraviolet radiation (UV radiation), can also be used instead of laser radiation.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
1 Erste LPBF-Anlage 30 Basisfläche 1 First LPBF system 30 base area
2 Basiselement 31 Laseroptik 2 base element 31 laser optics
3 Basisfläche 32 Pulverbett 3 base area 32 powder bed
4 Pulver 33 Bauteil 4 powder 33 component
5 Pulver Applikator 34 Hohlraum 5 powder applicator 34 cavity
6 Rakel 35 Basiselement 6 squeegee 35 base element
7 Pulverbett 36 Basisfläche 7 powder bed 36 base area
8 Laserstrahl 37 Vierte LPBF-Anlage 8 Laser beam 37 Fourth LPBF system
9 Laseroptik 38 Erste Laseroptik 9 Laser optics 38 First laser optics
10 Bauteil 39 Zweite Laseroptik 10 Component 39 Second laser optics
11 Erste Linearachse 40 Pulverbett 11 First linear axis 40 powder bed
12 Schutzgas-Applikator 41 Laserstrahlung 12 Inert gas applicator 41 Laser radiation
13 Gassammler 42 Bauteil 13 Gas collector 42 component
14 Zweite LPBF-Anlage 43 Bauteil 14 Second LPBF system 43 component
15 Basisfläche 44 Bauteil 15 base surface 44 component
16 Basiselement 45 Bauteil 16 base element 45 component
17 Antriebsstutzen 46 Energiestrahl-Rotationsachse17 Drive connection 46 Energy beam rotation axis
18 Bodenstück 50 Fünfte LBPF-Anlage 18 Floor piece 50 Fifth LBPF system
19 Umfangswand 51 Basiselement 19 Perimeter wall 51 base element
20 Vordere Abschlusswand 52 Basisfläche 20 Front end wall 52 Base area
21 Öffnung 53 Pfeil 21 opening 53 arrow
22 Laseroptik 54 Lagerung 22 Laser optics 54 Storage
23 Axiale Linearführung 55 Hohlwelle 23 Axial linear guide 55 Hollow shaft
24 Bauteil 56 Pfeil 24 component 56 arrow
25 Bauteil 57 Drehkopplung 25 Component 57 Rotary coupling
26 Dritte LPBF-Anlage 58 Laserstrahlung 26 Third LPBF system 58 Laser radiation
27 Radiale Linearführung 59 Optischer Baustein 27 Radial linear guide 59 Optical module
28 Zuleitung 60 Optische Linse 28 Supply line 60 optical lens
29 Basiselement 61 Spiegelelement 29 base element 61 mirror element

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur additiven Fertigung, bei dem ein Bauteil (10, 42, 43, 44, 45) mittels eines ein Ausgangsmaterial (4) verfestigenden, mittels Energiestrahleinstrahlungsmitteln (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) eingestrahlten Energiestrahls (8, 41 , 58) schichtweise hergestellt wird, während das Ausgangmaterial (4) von einer an einem Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) angeordneten Basisfläche (3,1. A method for additive manufacturing, in which a component (10, 42, 43, 44, 45) by means of a starting material (4) solidifying, by means of energy radiation radiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) irradiated energy beam (8, 41, 58) is produced in layers, while the starting material (4) is supported by a base surface (3,
15, 30, 36, 52) gehalten wird, wobei während der Beaufschlagung des Ausgangsmaterials (4) mit dem Energiestrahl (8, 41, 58) das Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) mit einer eine Basiselement- Rotationsachse aufweisenden Rotationskomponente bewegt wird, wobei das Ausgangsmaterial (4) mittels einer durch die Rotationskomponente erzeugten Zentrifugalbeschleunigung auf der Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61 ) eine Rotationsbewegung vorgesehen ist. 15, 30, 36, 52), with the base element (2, 16, 29, 35, 51) having a base element axis of rotation during the application of the energy beam (8, 41, 58) to the starting material (4) Rotary component is moved, the starting material (4) being held on the base surface (3, 15, 30, 36, 52) by means of a centrifugal acceleration generated by the rotational component, characterized in that for at least some of the energy beam irradiation means (9, 22, 31 , 38, 39, 55, 59, 61) a rotational movement is provided.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbewegung für die Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) oder für zumindest einen Teil der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) mit einer zur Basiselement-Rotationsachse parallelen Energiestrahl- Rotationsachse (46) durchgeführt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the rotational movement for the energy beam radiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) or for at least some of the energy beam radiation means (9, 22, 31, 38, 39 , 55, 59, 61) is carried out with an energy beam rotation axis (46) parallel to the base element rotation axis.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basiselement-Rotationsachse und die Energiestrahl-Rotationsachse (46) koaxial sind oder in koaxial zueinander ausrichtbar sind. 3. The method according to claim 2, characterized in that the base element rotation axis and the energy beam rotation axis (46) are coaxial or can be aligned coaxially with one another.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativgeschwindigkeit eines Auftreffpunktes des Energiestrahls (8, 41 , 58) auf der Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) oder der Oberfläche des Ausgangsmaterials (4) relativ zur Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) oder relativ zum Ausgangsmaterial (4) während der additiven Fertigung variiert wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a relative speed of a point of impact of the energy beam (8, 41, 58) on the base surface (3, 15, 30, 36, 52) or the surface of the starting material (4) is varied relative to the base surface (3, 15, 30, 36, 52) or relative to the starting material (4) during additive manufacturing.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Energiestrahls (8, 41, 58) während der additiven Fertigung variiert wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the intensity of the energy beam (8, 41, 58) is varied during additive manufacturing.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31 , 38, 39, 55, 59, 61 ) oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) und die Rotationsbewegung des Basiselements (2, 16, 29, 35, 51) mit voneinander abweichenden Winkelgeschwindigkeiten durchgeführt werden. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotational movement of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) or of at least some of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) and the rotational movement of the base element (2, 16, 29, 35, 51) can be carried out at angular velocities that differ from one another.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) und die Drehrichtung der Rotationsbewegung des Basiselements (2, 16, 29, 35, 51) zueinander entgegengesetzt sind. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the direction of rotation of the rotational movement of the energy beam radiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) or of at least part of the energy beam radiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) and the direction of rotation of the rotational movement of the base element (2, 16, 29, 35, 51) are opposite to one another.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit der Rotationsbewegung der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) oder des zumindest einen Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) während der additiven Fertigung geändert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the angular speed of the rotational movement of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) or of at least part of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61) is changed during additive manufacturing.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der auf das Ausgangsmaterial (4) wirkenden Zentrifugalbeschleunigung mindestens dem Betrag der Gravitationsbeschleunigung, vorzugsweise mindestens dem 1,5-fachen, weiter vorzugsweise mindestens dem Zweifachen des Betrages der Gravitationsbeschleunigung entspricht. 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material (4) corresponds to at least the amount of the gravitational acceleration, preferably at least 1.5 times, more preferably at least twice the amount of the gravitational acceleration.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Zentrifugalbeschleunigung im Laufe des Fertigungsverfahrens geändert wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of centrifugal acceleration is changed in the course of the manufacturing process.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10, 42, 43, 44, 45) schichtweise aufgebaut wird, wobei die lokalen Flächennormalen der Schichten zumindest eine Hauptkomponente parallel oder antiparallel zur Zentrifugalbeschleunigung aufweisen. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component (10, 42, 43, 44, 45) is built up in layers, the local surface normals of the layers having at least one main component parallel or antiparallel to the centrifugal acceleration.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf demselben Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) im selben Fertigungsverfahren mindestens zwei Bauteile (10, 42, 43, 44, 45) aufgebaut werden. 12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two components (10, 42, 43, 44, 45) are built on the same base element (2, 16, 29, 35, 51) in the same manufacturing process.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) mindestens ein in Umfangsrichtung der Basisfläche geschlossenes Bauteil (10, 42, 43, 44, 45) aufgebaut wird. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one component (10, 42, 43, 44, 45) closed in the circumferential direction of the base surface is built up on the base element (2, 16, 29, 35, 51).
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) zumindest bereichsweise hohlzylinderförmig ist und als Basiselement-Rotationsachse der Rotationskomponente die Längsmittelachse der Hohlzylinderform verwendet wird. 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the base element (2, 16, 29, 35, 51) is at least partially hollow cylindrical and the longitudinal center axis of the hollow cylindrical shape is used as the base element axis of rotation of the rotational component.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bewegung des Basiselements (2, 16, 29, 35, 51) die Rotationskomponente mit weiteren Bewegungskomponenten kombiniert wird. 15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the rotation component is combined with further movement components for the movement of the base element (2, 16, 29, 35, 51).
16. Vorrichtung zur additiven Fertigung, umfassend ein Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) mit einer Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) zur Aufnahme eines Ausgangsmaterials (4), zur Einstrahlung eines Energiestrahls (8, 41 , 58) in Richtung auf die Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) eingerichtete Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61), und Basiselementantriebsmittel zur Bewegung des Basiselements (2, 16, 29, 35, 51) mit einer eine Basiselement-Rotationsachse aufweisenden Rotationskomponente, wobei die Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) sich entlang einer zur Basiselement- Rotationsachse parallelen Richtung erstreckt, gekennzeichnet durch mindestens eine Energiestrahl-Rotationsachse (46) für die Rotation zumindest eines Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61). 16. Device for additive manufacturing, comprising a base element (2, 16, 29, 35, 51) with a base surface (3, 15, 30, 36, 52) for receiving a starting material (4) for irradiating an energy beam (8, 41, 58) in the direction of the base surface (3, 15, 30, 36, 52) arranged energy beam radiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61), and Base element drive means for moving the base element (2, 16, 29, 35, 51) with a rotational component having a base element axis of rotation, the base surface (3, 15, 30, 36, 52) extending along a direction parallel to the base element axis of rotation, characterized by at least one energy beam rotation axis (46) for rotating at least part of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61).
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der auf das Ausgangsmaterial (4) wirkenden Zentrifugalbeschleunigung mindestens dem Betrag der Gravitationsbeschleunigung, vorzugsweise mindestens dem 1,5- fachen, weiter vorzugsweise mindestens dem Zweifachen des Betrages der Gravitationsbeschleunigung entspricht. 17. The device according to claim 16, characterized in that the amount of the centrifugal acceleration acting on the starting material (4) corresponds to at least the amount of the gravitational acceleration, preferably at least 1.5 times, more preferably at least twice the amount of the gravitational acceleration.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch mindestens eine zur Energiestrahl-Rotationsachse (46) zusätzliche Bewegungsachse für die Bewegung zumindest eines Teils der Energiestrahleinstrahlungsmittel (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61). 18. The device according to claim 16 or 17, characterized by at least one axis of movement additional to the axis of rotation of the energy beam (46) for the movement of at least part of the energy beam irradiation means (9, 22, 31, 38, 39, 55, 59, 61).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zusätzlichen Bewegungsachsen eine Schwenkachse ist. 19. The device according to claim 18, characterized in that at least one of the additional axes of movement is a pivot axis.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der zusätzlichen Bewegungsachsen eine Translationsachse, insbesondere eine Linearachse, ist. 20. The device according to claim 18 or 19, characterized in that at least one of the additional movement axes is a translation axis, in particular a linear axis.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, gekennzeichnet durch Fokusanpassungsmittel (59) zur Anpassung eines Fokus des Energiestrahls (8, 41, 58). 21. Device according to one of claims 16 to 20, characterized by focus adjustment means (59) for adjusting a focus of the energy beam (8, 41, 58).
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Aufträgen (5) des Ausgangsmaterials (4) und/oder Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen des Ausgangsmaterials (4) und/oder Mittel zur Zuführung eines Gases (12) und/oder Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten (13) innerhalb eines von der Basiselement-Rotationsachse durchlaufenen und zumindest zum Teil von der Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) umgebenen Basiselement-Innenraums angeordnet sind oder für den Betrieb der Vorrichtung darin angeordnet werden können. 22. Device according to one of claims 16 to 21, characterized in that means for applying (5) the starting material (4) and / or means for smoothing, distributing and / or removing the starting material (4) and / or Means for supplying a gas (12) and / or means for sucking off a gas or waste products (13) within a base element traversed by the axis of rotation of the base element and at least partially surrounded by the base surface (3, 15, 30, 36, 52) - Are arranged inside or can be arranged therein for the operation of the device.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufträgen (5) des Ausgangsmaterials (4) und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen (6) des Ausgangsmaterials (4) und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases (12) und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten (13) axial und/oder radial verschiebbar sind. 23. The device according to claim 22, characterized in that the means for applying (5) the starting material (4) and / or the means for smoothing, distributing and / or removing (6) the starting material (4) and / or the means for Supply of a gas (12) and / or the means for sucking off a gas or waste products (13) are axially and / or radially displaceable.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aufträgen (5) des Ausgangsmaterials (4) und/oder die Mittel zum Glätten, Verteilen und/oder Abtragen (6) des Ausgangsmaterials (4) und/oder die Mittel zur Zuführung eines Gases (12) und/oder die Mittel zum Absaugen eines Gases oder von Abfallprodukten (13) rotierbar oder schwenkbar gelagert sind. 24. The device according to claim 22 or 23, characterized in that the means for applying (5) the starting material (4) and / or the means for smoothing, distributing and / or removing (6) the starting material (4) and / or the Means for supplying a gas (12) and / or the means for sucking off a gas or waste products (13) are rotatably or pivotably mounted.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zur Basiselement-Rotationsachse senkrechten Schnittebene die Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) die Basiselement-Rotationsachse zumindest auf dem überwiegenden Umfang konzentrisch umschließt. 25. Device according to one of claims 16 to 24, characterized in that in a section plane perpendicular to the base element rotation axis the base surface (3, 15, 30, 36, 52) concentrically encloses the base element rotation axis at least over the predominant circumference.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) zumindest in einem sich in einer zur Basiselement- Rotationsachse parallelen Richtung erstreckenden Teilbereich und zumindest auf dem überwiegenden Umfang zylinderflächenförmig ist. 26. The device according to claim 25, characterized in that the base surface (3, 15, 30, 36, 52) is cylindrical in shape at least in a partial area extending in a direction parallel to the base element rotation axis and at least over the predominant circumference.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (2, 16, 29, 35, 51) an zumindest einem axialen Ende eine sich von der Basisfläche (3, 15, 30, 36, 52) in Richtung zur Basiselement- Rotationsachse erstreckende und bewegbare und/oder entfernbare Abschlusswand (20) aufweist. 27. Device according to one of claims 16 to 26, characterized in that the base element (2, 16, 29, 35, 51) at at least one axial end extends from the base surface (3, 15, 30, 36, 52) in Has direction to the base element rotation axis extending and movable and / or removable end wall (20).
EP21754910.4A 2020-06-26 2021-06-28 Additive manufacturing method and device Pending EP4171853A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020116972.8A DE102020116972A1 (en) 2020-06-26 2020-06-26 Process and device for additive manufacturing
PCT/DE2021/100546 WO2021259428A1 (en) 2020-06-26 2021-06-28 Additive manufacturing method and device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4171853A1 true EP4171853A1 (en) 2023-05-03

Family

ID=77338450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP21754910.4A Pending EP4171853A1 (en) 2020-06-26 2021-06-28 Additive manufacturing method and device

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11820047B2 (en)
EP (1) EP4171853A1 (en)
JP (1) JP2023532008A (en)
DE (1) DE102020116972A1 (en)
WO (1) WO2021259428A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6751595B2 (en) * 2016-06-02 2020-09-09 株式会社ミマキエンジニアリング Modeling equipment and modeling method
US11485080B2 (en) * 2020-11-16 2022-11-01 Anton Zavoyskikh Additive manufacturing apparatus, system and method

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4308189C2 (en) 1993-03-15 1998-06-10 Eos Electro Optical Syst Method and device for producing a three-dimensional object
JP3770179B2 (en) * 2002-02-28 2006-04-26 株式会社村田製作所 Stereolithography method and stereolithography apparatus
DE102010041284A1 (en) 2010-09-23 2012-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Method for selective laser sintering and equipment suitable for this method for selective laser sintering
JP2016516886A (en) 2013-02-14 2016-06-09 レニショウ パブリック リミテッド カンパニーRenishaw Public Limited Company Selective laser solidification apparatus and method
DE102013210242A1 (en) 2013-06-03 2014-12-04 Siemens Aktiengesellschaft Plant for selective laser melting with rotating relative movement between powder bed and powder distributor
US11007713B2 (en) 2017-04-26 2021-05-18 GM Global Technology Operations LLC High throughput additive manufacturing system
CN206839165U (en) 2017-05-10 2018-01-05 窦鹤鸿 Cylindrical 3D printing equipment and 3D printer
EP3634754A1 (en) 2017-06-06 2020-04-15 Aurora Labs Limited 3d printing method and apparatus
CN108015278B (en) 2017-11-24 2019-05-17 浙江大学 A kind of 3 D-printing device and its rotary power spreading device of guide vane
WO2019206546A1 (en) 2018-04-26 2019-10-31 Continental Reifen Deutschland Gmbh Method and apparatus for applying a coating and/or three-dimensional structures to a rotating surface of a rotating body by irradiating powder layers with laser radiation
DE102018212019A1 (en) 2018-07-19 2020-01-23 MTU Aero Engines AG Process for applying a material
US20200156290A1 (en) 2018-11-15 2020-05-21 General Electric Company Centrifugal additive manufacturing apparatus and method

Also Published As

Publication number Publication date
US20230211548A1 (en) 2023-07-06
WO2021259428A1 (en) 2021-12-30
DE102020116972A1 (en) 2021-12-30
US11820047B2 (en) 2023-11-21
JP2023532008A (en) 2023-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008012064B4 (en) Method and device for producing a hybrid molding produced by a hybrid process and hybrid molding produced by the process
EP1332039B1 (en) Device for sintering, removing material and/or labeling by means of electromagnetically bundled radiation and method for operating the device
EP3131740B1 (en) Control unit, device, and method for the production of a three-dimensional object
EP1198341B1 (en) A device and method for the preparation of building components from a combination of materials
DE19533960C2 (en) Method and device for producing metallic workpieces
DE102008012063B4 (en) Process for the preparation of a hybrid molding
EP3429831B1 (en) Device for the additive production of a three-dimensional object and method
DE102008027524B3 (en) Apparatus and method for cutting workpieces with a laser beam
EP4171853A1 (en) Additive manufacturing method and device
DE102013021944A1 (en) Generative production facility
EP3328619B1 (en) Method and device for producing a three-dimensional object
EP0262225A1 (en) Installation for laser treatment of materials
DE102012107297A1 (en) Working method for producing three-dimensional workpiece under e.g. normal atmosphere, involves fully hardening applied layers of powdered materials at laser beam incidence on workpiece surface after introducing liquid or binding agent
WO2017080736A1 (en) Apparatus for laser hardfacing using a wobbling movement
WO2019206951A1 (en) Method and device for de-powdering a construction chamber
DE102017211657A1 (en) Device for the additive production of a component with inert gas guidance and method
WO2012062253A2 (en) Device for producing, repairing, and/or replacing a component by means of a powder that can be solidified by energy radiation, and a method and a component produced according to the method
DE102013221014A1 (en) Disposal device and method for removing at least sweat deposits in a plant for producing a component by application of powder layers
DE19850299A1 (en) Process for a local point-by-point heat introduction used in spot welding comprises maintaining the laser beam spot on a prescribed point over a prescribed period
DE202013011396U1 (en) Generative production facility
EP2979849B1 (en) Device for production of three-dimensional objects by successive solidifying of layers
WO2017001098A1 (en) Apparatus and method for powder-based laser build-up welding
EP1251980A1 (en) Method and device for working cavity walls in continuous casting moulds
EP3342508B1 (en) Device for the generative production of workpieces
DE102021103870A1 (en) ADDITIVE MANUFACTURING WITH ROTATING SEPARATION HEAD

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230125

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)