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.

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.

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.

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.

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.

In einigen Verfahrensvarianten der additiven Fertigung wird ein Gasstrom, insbesondere aus einem eine Oxidation des Ausgangsmaterials verhindernden Schutzgas, eingesetzt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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,

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.

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.

Hinsichtlich des Verfahrens wird das technische Problem mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Verfahrensansprüchen.

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.

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.

Die Energiestrahleinstrahlungsmittel können optische Elemente, wie zum Beispiel Linsen, Spiegel und/oder Lichtleiter aufweisen.

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.

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.

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.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Intensität des Energiestrahls während der additiven Fertigung variiert wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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/s ² , mindestens 20 m/s ² oderauch mindestens 50 m/s ² oder mindestens 100 m/s ² . Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Zentrifugalbeschleunigung gezielt einzustellen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Vorrichtungsansprüchen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Figuren beschrieben.

Es zeigt schematisch und in Teildarstellung

Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen im axialen Querschnitt,

Fig. 2: eine zweite Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen im seitlichen Querschnitt,

Fig. 3: eine dritte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit Fertigung eines rotationssymmetrischen Bauteils mit innenliegenden Strukturen,

Fig. 4: eine vierte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen mit zwei Laseroptiken für eine parallele Bearbeitung, und

Fig. 5: eine fünfte Ausführungsform einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bezugszeichenliste

1 Erste LPBF-Anlage 30 Basisfläche

2 Basiselement 31 Laseroptik

3 Basisfläche 32 Pulverbett

4 Pulver 33 Bauteil

5 Pulver Applikator 34 Hohlraum

6 Rakel 35 Basiselement

7 Pulverbett 36 Basisfläche

8 Laserstrahl 37 Vierte LPBF-Anlage

9 Laseroptik 38 Erste Laseroptik

10 Bauteil 39 Zweite Laseroptik

11 Erste Linearachse 40 Pulverbett

12 Schutzgas-Applikator 41 Laserstrahlung

13 Gassammler 42 Bauteil

14 Zweite LPBF-Anlage 43 Bauteil

15 Basisfläche 44 Bauteil

16 Basiselement 45 Bauteil

17 Antriebsstutzen 46 Energiestrahl-Rotationsachse

18 Bodenstück 50 Fünfte LBPF-Anlage

19 Umfangswand 51 Basiselement

20 Vordere Abschlusswand 52 Basisfläche

21 Öffnung 53 Pfeil

22 Laseroptik 54 Lagerung

23 Axiale Linearführung 55 Hohlwelle

24 Bauteil 56 Pfeil

25 Bauteil 57 Drehkopplung

26 Dritte LPBF-Anlage 58 Laserstrahlung

27 Radiale Linearführung 59 Optischer Baustein

28 Zuleitung 60 Optische Linse

29 Basiselement 61 Spiegelelement