DE102014207160A1

DE102014207160A1 - Umluftfiltervorrichtung für eine Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102014207160A1
Application number: DE102014207160.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Heugel; Sven Pawliczek; Ulrich Schmid; Andreas Reichmann; Stefan Jakschik
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2015-10-15

Abstract

Eine Umluftfiltervorrichtung (40) für eine Vorrichtung (1) zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2), die ein Umluftsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf enthält, enthält ein durch einen Gasdruckstoß abreinigbares Filterelement (43) und eine Abreinigungsvorrichtung (50) zum Erzeugen eines Gasdruckstoßes zum Abreinigen des abreinigbaren Filterelements (43).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umluftfiltervorrichtung, die beispielsweise in einer Vorrichtung oder einem Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial an den dem Querschnitt des herzustellenden Objektes in der jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen Verwendung finden kann.
Eine Vorrichtung und ein Verfahren dieser Art werden beispielsweise zum Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Rapid Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens, das unter dem Namen ”Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen” bekannt ist, sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in der Druckschrift DE 195 14 740 C1 beschrieben. Gemäß dieser Druckschrift wird zunächst mittels eines Beschichters eine dünne Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials aufgetragen und dieses anschließend an den dem jeweiligen Querschnitt des Objektes entsprechenden Stellen durch Einwirken eines Laserstrahls verfestigt, das heißt aufgeschmolzen und/oder verschmolzen und unter Bildung eines Materialverbunds erstarrt. Diese beiden Schritte werden abwechselnd solange wiederholt, bis das herzustellende dreidimensionale Objekt fertiggestellt ist.
Beim Bestrahlen mit dem Laserstrahl entstehen je nach Art des verwendeten Materials, insbesondere beim Sintern oder Schmelzen von Metallpulver, Spratzer, Rauche, Dämpfe und/oder Gase, die sich in die Prozesskammer hinein ausbreiten. Um solche Verschmutzungen aus der Prozesskammer zu entfernen, schlägt DE 198 53 947 C1 eine Prozesskammer vor, bei der an zwei gegenüberliegenden Enden ein Schutzgas-Einlass und ein Schutzgas-Auslass angeordnet sind, durch die ein gerichteter Schutzgasstrom durch die Prozesskammer erzeugt wird. Außerdem sind in dieser Anmeldung in den Seitenflächen eines erhöhten Bereichs, in dessen Deckfläche sich ein Einkoppelfenster für die einzukoppelnde Laserstrahlung befindet, weitere Einlassöffnungen für ein Schutzgas angeordnet. Ein durch diese Öffnungen eintretender Schutzgasstrom schützt das Einkoppelfenster vor Verschmutzungen.
Um Schutzgas zu sparen, wird in der Regel ein so genanntes Umluftsystem verwendet, in dem das aus der Prozesskammer kommende Schutzgas in einer Filteranlage gereinigt wird und das gefilterte Schutzgas der Prozesskammer erneut zugeführt wird. Ein solches Umluftsystem zeichnet sich also durch einen geschlossenen Gaskreislauf aus. ”Umluft” bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass Luft in dem System zirkuliert, sondern wird allgemein für jedes System mit geschlossenem Gaskreislauf verwendet.
Da die Filter im Laufe des Betriebs immer mehr verschmutzen, müssen sie in gewissen Zeitabständen gereinigt oder ausgetauscht bzw. ersetzt werden. Dazu wird der Schutzgaskreislauf unterbrochen, die Filteranlage wird geöffnet und die Filtereinheiten werden entnommen und gereinigt bzw. ausgetauscht. Nach dem Einsetzen gereinigter bzw. neuer Filtereinheiten wird die Filteranlage wieder geschlossen und der Schutzgaskreislauf erneut in Betrieb gesetzt.
Durch die Entnahme der Filter aus der Filteranlage geht jedes Mal Schutzgas verloren. Daher muss die Filteranlage nach jedem Öffnen erneut mit Schutzgas geflutet werden. Das hat einen erhöhten Schutzgasverbrauch und eine erhöhte Rüstzeit der Lasersintervorrichtung zur Folge. Außerdem ist durch die periodisch erforderliche Entnahme der Filtereinheiten die maximale Dauer eines Bauvorgangs und somit die maximale Größe eines aufzubauenden Objekts eingeschränkt.
Spratzer, Rauche, Dämpfe und/oder Gase, die beim Lasersintern entstehen, können brennbare Materialien enthalten (z. B. feinste Metallpulverkondensate, d. h. Feinst- bis Nanopartikeln aus Rauch bzw. Schmauch). Bei der Entnahme der Filtereinheiten werden diese dem Luftsauerstoff ausgesetzt, so dass eine Gefahr des Entzündens der Filtereinheiten besteht. Daher werden die Filtereinheiten gleich nach der Entnahme aus der Filteranlage, zum Beispiel durch Eintauchen in eine passivierende Flüssigkeit wie Wasser, passiviert und in der Regel entsorgt. Außerdem muss auch der Bediener, also die Person, die die Filtereinheiten entnimmt, ausreichend bei der Entnahme geschützt werden, etwa durch einen Atemschutz und Schutzhandschuhe. Insgesamt sind daher bei der Entnahme relativ aufwändige und komplizierte Schutzmaßnahmen notwendig.
Für offene Systeme ohne geschlossenen Gaskreislauf sind im Stand der Technik abreinigbare Filter bekannt. So beschreibt beispielsweise DE 10 2008 0017 959 A1 einen abreinigbaren Partikelfilter, der in einem Dieselrußfilter für Fahrzeuge verwendet wird. Im Gegensatz zu reinigbaren Filtern, die nur nach einer Entnahme aus einer Filteranlage gereinigt werden können, sind abreinigbare Filtern so konstruiert und angebracht, dass sie in der Filteranlage selber durch einen Luftdruckstoß, der über die Filterflächen geleitet wird oder den Filter entgegen dem zu filternden Luftstrom durchdringt, abgereinigt werden können.
Abreinigbare Filter unterscheiden sich von den oben erwähnten herkömmlichen Filtereinheiten darin, dass sie konstruktive Merkmale aufweisen, die sie zum Abreinigen geeignet machen. Insbesondere müssen die Filterflächen, auf denen sich die Verschmutzungen ablagern, für die Abreinigung erreichbar sein. Außerdem müssen sie eine Oberflächenstruktur aufweisen, die das Entfernen der Verschmutzungen durch einen Gasdruckstoß ermöglicht. So weisen herkömmliche Filter oft eine Kastenstruktur mit übereinander liegenden Bälgen auf, was ein Abreinigen erschwert. Abreinigbare Filter dagegen sind beispielsweise als Patrone mit sternförmig angeordneten Filterlamellen konstruiert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Umluftfiltervorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Filtern eines Gases in einem Umluftsystem bereitzustellen. Insbesondere wird im Rahmen einer solchen Verbesserung darauf abgezielt, die Sicherheit auch dann zu erhöhen, wenn ein Filterelement verschmutzt ist, und/oder den Schutzgasverbrauchs im Betrieb zu reduzieren. Ein weiterer Aspekt einer solchen Verbesserung kann darin bestehen, die Zeitabstände zwischen Filterwechseln möglichst signifikant zu erhöhen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts unter Verwendung einer solchen Umluftfiltervorrichtung bereitzustellen. Bevorzugt soll dabei eine Reinigung von Filterelementen möglichst weitgehend unterbrechungsfrei während eines Bauvorgangs durchgeführt werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verwendung gemäß Anspruch 1, eine Filtervorrichtung gemäß Anspruch 4, ein Umluftsystem gemäß Anspruch 13, ein Verfahren zum Filtern eines Gases gemäß Anspruch 14, eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 18 und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 19. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben, wobei die in den jeweiligen Unteransprüchen zu den einzelnen Anspruchskategorien genannten Merkmale auch als Weiterbildung aller anderen Anspruchskategorien verstanden werden können.
Dadurch, dass ein abreinigbares Filterelement in einem Umluftsystem verwendet wird, kann das Filterelement gereinigt werden, ohne dazu das Umluftsystem öffnen zu müssen. Dadurch kann bei Verwendung von Schutzgas eine Erhöhung des Schutzgasverbrauchs vermieden werden. Da die betreffenden Filterelemente in der Regel nicht entnommen werden müssen, ist auch bei Ablagerung entzündlicher Partikel eine Entzündungsgefahr ausgeschlossen. Außerdem wird die Handhabung der Filtervorrichtung erheblich vereinfacht, weil die oben beschriebenen Schutzmaßnahmen einfach weggelassen werden können.
Bei Anwenden der Erfindung auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts kann außerdem eine Reinigung der Filter zumindest weitgehend unterbrechungsfrei während eines Bauvorgangs durchgeführt werden, weil die Schutzgasatmosphäre während des Reinigens aufrecht erhalten bleibt.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.
1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische Darstellung einer in 1 gezeigten Umluftfiltervorrichtung.
Im Folgenden wird mit Bezug auf 1 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinteroder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Wandung 6 angeordnet. In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, an dem eine Grundplatte 8 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 8 kann eine getrennt von dem Träger 7 gebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 8 noch eine Bauplattform 9 angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 8 selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 9 zu bildende Objekt 2 unterhalb einer Arbeitsebene 10 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 11.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 12 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 13 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 14 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 13 auf die Arbeitsebene 10. An ihrer Oberseite enthält die Wandung 4 der Prozesskammer 3 ein Einkoppelfenster 15 für die zum Verfestigen des Pulvers 13 dienende Strahlung 22.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über das Einkoppelfenster 15 auf die Arbeitsebene 10 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird.
Zum Erzeugen eines laminaren Gasstroms 33 oberhalb der Arbeitsebene 10 enthält die Lasersintervorrichtung 1 ferner einen Gaszuführkanal 31, eine Gaseinlassdüse 32, eine Gasauslassdüse 34 und einen Gasabführkanal 35. Auch die Gaszufuhr und -abfuhr kann von der Steuereinheit 29 gesteuert sein. Über den Gasabführkanal 35 wird das aus der Prozesskammer 3 austretende Gas einer Umluftfiltervorrichtung 40 zugeführt, die das Gas filtert und über den Gaszuführkanal 31 wieder der Prozesskammer 3 zugeführt. Dadurch ist ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf gebildet.
2 ist eine schematische Darstellung der Umluftfiltervorrichtung 40, die in dem Umluftsystem enthalten ist.
Die Umluftfiltervorrichtung 40 enthält einen Gaseinlassstutzen 41, der mit dem (nicht gezeigten) Gasabführkanal 35 verbunden ist und der in einen unteren Gasraum 42 mündet. Am oberen Ende des unteren Gasraums 42, d. h. in einem Übergang zwischen dem unteren Gasraum 42 und einem oberen Gasraum 44, ist zumindest ein durch einen Gasdruckstoß abreinigbares Filterelement 43 angeordnet (in 2 sind schematisch zwei dieser Filterelemente 43 dargestellt). Darüber befindet sich der obere Gasraum 44 mit einem Gasauslassstutzen 45, von der aus eine Gasleitung 46 zu einem weiteren Filterelement 47 führt. Unterhalb dieses weiteren Filterelements 47 ist eine Turbine 48 angeordnet, deren Gasauslassstutzen 49 mit dem (nicht gezeigten) Gaszuführkanal 31 verbunden ist.
Bei dieser zweistufigen Anordnung wird in der ersten Filterstufe, die das abreinigbare Filterelement 43 enthält, vorzugsweise ein Feinstaubfilter verwendet, beispielsweise der Klasse F9, während in der zweiten Filterstufe, die das weitere Filterelements 47 enthält, vorzugsweise ein Schwebstofffilter verwendet wird, beispielsweise der Klasse H13. Das abreinigbare Filterelement 43 (und in der Folge auch das weitere Filterelement 47) ist also so ausgebildet, dass es typische Partikeln (d. h. Partikelgrößen) aus dem Abgas der Lasersintervorrichtung 1, nämlich die erwähnten Rauch- und Schmauchpartikeln, die bei dem Verfestigen des Pulvermaterials als Nebenprodukte entstehen, filtert, also im Wesentlichen zurückhält.
In dem oberen Gasraum 44 oder darüber ist eine Abreinigungsvorrichtung 50 angeordnet, die zum Erzeugen des zum Abreinigen der abreinigbaren Filterelemente 43 dienenden Gasdruckstoßes dient. Sie kann beispielsweise einen Druckbehälter mit unter Druck stehendem Schutzgas enthalten, aus dem bei Bedarf einzelne Gasdruckstöße entnommen werden. Sie kann auch mit einer Pumpe (nicht gezeigt) versehen sein, die das in der Umluftfiltervorrichtung 40 umlaufende Schutzgas komprimiert zum Erzeugen eines Druckstoßes. In diesem Fall ist kein getrenntes Bereitstellen eines Druckgases, z. B. in Form von Gasflaschen, erforderlich. Allgemein kann das in der Lasersintervorrichtung 1 verwendete und im geschlossenen Gaskreislauf vorliegende Schutzgas durch eine Schutzgasquelle wie eine Schutzgasflasche und/oder durch einen Schutzgasgenerator, etwa einen Stickstoffgenerator (der der Umgebungsluft Stickstoff entzieht) bereitgestellt werden. Über Abreinigungsdüsen 51 steht die Abreinigungsvorrichtung 50 mit dem oberen Gasraum 44 in Verbindung.
An der Unterseite des unteren Gasraums 42 ist ein Sammeltrichter 52 angeordnet, in dessen unterem Abschnitt sich eine Irisblende 53 befindet, mit der der untere Gasraum 42 gasdicht nach unten abgeschlossen werden kann. Unter dem Sammeltrichter 52 befindet sich ein Auffangbehälter 54. Ein Passivierungsstutzen 55 dient zum Einfüllen eines Passivierungsmaterials in den Auffangbehälter 54. Ein (in der Figur nicht gezeigter) Schutzgasstutzen dient zum Einleiten eines Schutzgases in den Auffangbehälter 54.
Im Betrieb wird zunächst zum Aufbringen einer Pulverschicht der Träger 7 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Unter Verwendung des Beschichters 14 wird nun eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials 13 aufgetragen. Die Aufbringung erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, so dass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an diesen Stellen verfestigt wird. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und dem Bauraum entnommen werden kann.
Während des Aufbaus des Objekts 2 wird ein Schutzgasstrom 33 über die Arbeitsebene 10 geleitet und bewirkt, dass Spratzer, Rauche, Dämpfe und/oder Gase, die beim Erhitzen des Pulvers durch den Laser gebildet werden, abtransportiert werden. Durch die in der Umluftfiltervorrichtung 40 angeordnete Turbine 48 wird dabei ein kontinuierlicher Schutzgasstrom aufrechterhalten. Der konstante Schutzgasstrom 33 kann – etwa bei ansteigendem Gaswiderstand durch Verschmutzungen der Filterelemente 43, 47 – durch eine Regelung realisiert werden, die auf Basis von durch eine Anzahl von Differenzdrucksensoren (nicht gezeigt) generierten Differenzdruckwerten des Schutzgasstroms betrieben wird.
Nach dem Austritt aus der Prozesskammer 3 gelangt der Schutzgasstrom 33 über den Gasabführkanal 35 und den Gaseinlassstutzen 41 in den unteren Gasraum 42. Schwerere Partikeln im Schutzgasstrom fallen aufgrund der Schwerkraft im unteren Gasraum 42 direkt vom Gaseinlassstutzen nach unten in Richtung des Sammeltrichters 52. Vom unteren Gasraum 42 aus durchläuft der Schutzgasstrom die abreinigbaren Filterelemente 43 und gelangt in den oberen Gasraum 44 und über den Gasauslassstutzen 45 und die Gasleitung 46 zu dem weiteren Filterelement 47. Durch die Turbine 48, den Gasauslassstutzen 49 und den Gaszuführkanal 31 wird das Schutzgas dann wieder der Prozesskammer 3 zugeführt.
In den abreinigbaren Filterelementen 43 setzen sich die beim Lasersintern entstehenden feinen Rauch- und Metallpartikel ab. Im Laufe der Zeit sammeln sich immer mehr Partikel. Sie werden durch den von dem Schutzgasstrom ausgeübten Druck verdichtet und können je nach Material auch miteinander verkleben. So bildet sich im Lauf der Zeit ein Filterbelag aus einer Schicht verdichteter und/oder aneinander klebender Partikel, der im Allgemeinen als ”Filterkuchen” bezeichnet wird. Er behindert den Schutzgasstrom und führt zu einem immer größer werdenden Druckabfall an dem Filter, also zu einer Erhöhung der Druckdifferenz zwischen dem unteren Gasraum 42 und dem oberen Gasraum 44.
Daher werden die Filterelemente 43 von Zeit zu Zeit abgereinigt, um den Filterkuchen zu entfernen. Dazu wird von der Abreinigungsvorrichtung 50 ein Gasdruckstoß erzeugt, der über die Abreinigungsdüsen 51 in den oberen Gasraum 44 eingeleitet wird. Dieser Gasdruckstoß hat beispielsweise einen Spitzendruck von 5 bar und durchdringt die abreinigbaren Filterelemente 43 entgegen der normalen Filterrichtung, in der das zu filternde Schutzgas durch die Filterelemente 43 fließt. Dadurch wirkt der Gasdruckstoß von der Auslassseite der Filterelemente 43 aus auf den Filterkuchen ein. Dieser wird dadurch flächig von den Filterelementen 43 gelöst, zerbricht in Schollen und wird durch den Gasdruckstoß von den Filterelementen 43 weggedrückt. Die einzelnen Stücke des Filterkuchens fallen durch die Schwerkraft angezogen nach unten und werden über den Sammeltrichter 52 in den Auffangbehälter 54 geleitet.
Das Abreinigen der Filterelemente kann in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen. Es kann aber auch verschmutzungsabhängig durchgeführt werden, beispielsweise indem die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Filterelemente, also zwischen dem unteren Gasraum 42 und dem oberen Gasraum 44, gemessen wird, die sich durch die Verschmutzung erhöht. Es können auch verschiedene Drücke für das Abreinigen der Filterelemente verwendet werden, z. B. niedrige Drücke für geringere Verschmutzungen und höhere Drücke für größere Verschmutzungen.
Bei jedem Abreinigungsvorgang sammeln sich Filterabfälle in dem Auffangbehälter 54 an, so dass dieser von Zeit zu Zeit entleert werden muss. Dazu wird zunächst die Irisblende 53 geschlossen, so dass der Gasraum der Umluftfiltervorrichtung 40 gasdicht nach unten abgeschlossen ist. Über den Passivierungsstutzen 55 wird als Passivierungsmittel ein trockenes, rieselfähiges Medium wie z. B. Quarzsand in den Auffangbehälter 54 gefüllt, der eine geschlossene Deckschicht bildet und explosionsfähige Bestandteile der Filterabfälle abschirmt. Allgemein umfasst das Passivierungsmittel ein Passivierungsmaterial, das sich von dem (zu filternden bzw. gefilterten) Schutzgas unterscheidet; d. h. es kann insbesondere ein flüssiges und/oder festes Material umfassen, bevorzugt ein schwer brennbares Material. Außerdem wird über den Schutzgasstutzen (bevorzugt vor dem Einfüllen des oben genannten Passivierungsmittels) ein Schutzgas in den Auffangbehälter 54 eingeleitet. Ein Einleiten des Schutzgases in den Auffangbehälter 54 vor dem Einfüllen des Passivierungsmittel hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Entzündung des Filterabfälle weiter reduziert wird, denn auch das Einfüllen des Passivierungsmaterial bedingt zugleich eine gewisse Energiezufuhr kinetischer Energie in den Auffangbehälter 54. Anschließend wird der Auffangbehälter 54 mit einem gasdichten Deckel hermetisch verschlossen, der Umluftfiltervorrichtung 40 entnommen und entsorgt. Ein neuer Auffangbehälter 54 wird in die Umluftfiltervorrichtung 40 eingesetzt und der Betrieb wie oben beschrieben fortgeführt.
Die Filterelemente 43 können somit abgereinigt werden, ohne der Anlage entnommen werden zu müssen. Dadurch bleibt die Schutzgasatmosphäre in der Umluftfiltervorrichtung 40 erhalten, was Schutzgas spart und durch die Verringerung der Rüstzeit die Prozessdauer verkürzt. Da die Schutzgasatmosphäre während des Abreinigens erhalten bleibt, kann dieses auch während eines Bauvorgangs durchgeführt werden, z. B. nach Belichten einer Schicht vor dem Aufbringen der nächsten Schicht. Es wird also nur eine Pause eingelegt, der Bauvorgang muss aber nicht abgebrochen werden. Durch eine Synchronisierung der Abreinigung der Filterelemente 43 mit dem Bauvorgang in der Lasersintervorrichtung 1 (etwa durch ein Timing des Abreinigens, während eine neue Schicht aufgebracht wird) ist es im Prinzip sogar möglich, eine Pause des Bauvorgangs komplett zu vermeiden.
Um eine Rückwirkung des Gasdruckstoßes auf die Prozesskammer zu verhindern, kann diese während des Abreinigungsvorgangs gasdicht abgeschottet werden, beispielsweise durch verschließbare Ventile (nicht gezeigt) in dem Gaszuführkanal 31 und dem Gasabführkanal 35. Nachdem sich in der Umluftfiltervorrichtung wieder normale Druckverhältnisse eingestellt haben, wird die Abschottung aufgehoben und der Bauvorgang weitergeführt. Wenn z. B. ein häufigeres Abreinigen mit einem niedrigeren Druck erfolgt, der den Bauvorgang nicht beeinträchtigt, kann der Bauvorgang sogar ohne Pausieren und Abschotten weitergeführt werden. Somit können auch größere Objekte aufgebaut werden, ohne dass der Bauvorgang durch ein erforderliches Reinigen der Filterelemente abgebrochen werden muss.
Da der Gasdruckstoß zum Abreinigen der Filterelemente 43 mittels eines Schutzgases durchgeführt wird, ist auch bei Vorhandensein brennbarer Materialien in dem Filterkuchen eine Entzündungsgefahr im Wesentlichen ausgeschlossen. Ebenso werden die Filterabfälle in dem Auffangbehälter 54 vor der Entnahme aus der Umluftfiltervorrichtung 40 passiviert und der Auffangbehälter 54 hermetisch abgedichtet. Somit kommen auch in dem Auffangbehälter 54 enthaltene explosive Materialien nicht mit Luftsauerstoff in Berührung, so dass auch hier eine Entzündungsgefahr im Wesentlichen ausgeschlossen ist.
Neben dem Abdichten der Umlauffiltervorrichtung 40 hat die Irisblende 53 auch die Funktion, ein eventuelles Nachrieseln von Filterabfällen während Wartungsarbeiten, etwa während eines Wechsels bzw. einer Entnahme des Auffangbehälters 54, zu verhindern. Wenn diese aus Gefahrstoffen wie z. B. Metallpulverkondensaten bestehen, wird dadurch verhindert, dass der Bediener mit diesen Gefahrstoffen in Kontakt kommt, wodurch der Schutz des Bedieners weiter erhöht wird.
Während der Schutzgasstrom gemäß der beschriebenen Ausführungsform laminar über die Arbeitsebene geführt wird, um die beim Lasersintern entstehenden Spratzer, Rauche, Dämpfe und/oder Gase abzuführen, kann stattdessen oder zusätzlich auch ein Schutzgasstrom vorhanden sein, der an dem Einkoppelfenster vorbeistreicht, um dieses vor Verschmutzungen zu schützen.
Die in der obigen Ausführungsform beschriebene Umluftfiltervorrichtung ist zweistufig ausgebildet. Es kann jedoch auch eine einstufige Umluftfiltervorrichtung verwendet werden, die nur die abreinigbare Filtereinheit der ersten Stufe enthält.
Statt einer Irisblende kann auch eine andere Vorrichtung zum gasdichten Abdichten der Umluftfiltervorrichtung verwendet werden, z. B. ein Schott.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden, bei denen eine Gasströmung, insbesondere eine Schutzgasströmung verwendet wird.
Der Laser kann beispielsweise ein Gas- oder Festkörperlaser bzw. eine Laserdiode umfassen. Allgemein kann jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das Absorptions- bzw. Inhibitionssintern kann die Erfindung angewendet werden.
Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.
Bei Verwendung eines Pulvers als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver.
Als Schutzgas wird je nach verwendetem Aufbaumaterial ein Gas verwendet, das mit dem Aufbaumaterial im Wesentlichen keine chemische Reaktion eingeht, beispielsweise bei Kunststoffpulver vorzugsweise Stickstoff oder bei Metallpulver vorzugsweise Argon und/oder Stickstoff.
Die oben im Zusammenhang mit einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschriebene Umluftfiltervorrichtung kann auch in anderen Anlagen verwendet werden, die ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf enthalten, vorzugsweise mit einem geschlossenen Schutzgaskreislauf. Die in der obigen Ausführungsform für eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zum schichtweisen Herstellen eines dreidimensionalen Objekts beschriebenen Merkmale gelten auch allgemein für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Filtern eines Gases mittels abreinigbarer Filterelemente und umgekehrt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19514740 C1 [0002]
DE 19853947 C1 [0003]
DE 1020080017959 A1 [0008]

Claims

Verwendung eines durch einen Gasdruckstoß abreinigbaren Filterelements (43) in einem Umluftsystem (31, 32, 3, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf.
Verwendung gemäß Anspruch 1, bei der das in dem Umluftsystem (31, 32, 3, 34, 35, 40) umlaufende Gas ein Schutzgas ist.
Verwendung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das zum Erzeugen des Gasdruckstoßes verwendete Gas ein Schutzgas ist.
Filtervorrichtung (40) mit einem durch einen Gasdruckstoß abreinigbaren Filterelement (43) und einer Abreinigungsvorrichtung (50) zum Erzeugen eines Gasdruckstoßes aus einem Schutzgas zum Abreinigen des abreinigbaren Filterelements (43).
Filtervorrichtung (40) gemäß Anspruch 4, bei der die Abreinigungsvorrichtung (50) einen Druckbehälter mit unter Druck stehendem Schutzgas enthält.
Filtervorrichtung (40) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der die Abreinigungsvorrichtung (50) eine Pumpe zum Erzeugen eines unter Druck stehenden Schutzgases aus einem durch die Filtervorrichtung gefilterten Schutzgas enthält.
Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der die Abreinigungsvorrichtung (50) dazu ausgerüstet ist, Gasdruckstöße mit unterschiedlichem Druck zu erzeugen.
Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7 mit einem Auffangbehälter (54) zum Auffangen der beim Abreinigen von dem abreinigbaren Filterelement (43) gelösten Filterabfälle.
Filtervorrichtung (40) gemäß Anspruch 8 mit einem Verschlusselement (55) zum gasdichten Trennen eines Gasraums (42, 44), der das abreinigbare Filterelement (43) enthält, von dem Auffangbehälter (54).
Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9 mit einem Passivierungsstutzen (55) zum Einfüllen eines Passivierungsmaterials, das sich von dem Schutzgas unterscheidet, in den Auffangbehälter (54) auf die angesammelten Filterabfälle.
Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10 mit einem Schutzgasstutzen zum Einleiten eines Schutzgases in den Auffangbehälter (54).
Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 11 mit einer Messeinrichtung zum Messen einer Druckdifferenz zwischen einer stromaufwärts gelegenen Seite des abreinigbaren Filterelements (43) und einer stromabwärts gelegenen Seite des abreinigbaren Filterelements (43).
Umluftsystem (31, 32, 3, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf, das eine Filtervorrichtung (40) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 12 enthält.
Verfahren zum Filtern eines Gases in einem Umluftsystem (31, 32, 3, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf, das die Schritte enthält: Leiten des in dem Gaskreislauf umlaufenden Gases in einer ersten Richtung durch ein durch einen Gasdruckstoß abreinigbares Filterelement (43), Abreinigen des abreinigbaren Filterelements (43) durch Leiten eines Gasdruckstoßes durch das abreinigbare Filterelement (43) hindurch in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt ist, und/oder über eine Filterfläche des abreinigbaren Filterelements (43).
Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem zur Entnahme eines zum Sammeln von gelösten Filterabfällen von dem abreinigbaren Filterelement (43) ausgebildeten Auffangbehälters (54) aus einem Bereich des geschlossenen Gaskreislaufs ein Gasraum (42, 44), der das abreinigbare Filterelement (43) enthält, gasdicht von dem Auffangbehälter (54) getrennt wird, der Auffangbehälter (54) gasdicht verschlossen wird und der Auffangbehälter (54) entnommen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem vor der Entnahme des Auffangbehälters (54) ein Passivierungsmaterial, das sich von dem Schutzgas unterscheidet, in den Auffangbehälter (54) auf die angesammelten Filterabfälle eingefüllt wird und/oder ein Schutzgas in den Auffangbehälter (54) eingeleitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Gasdruckstoß zum Abreinigen des abreinigbaren Filterelements (43) in vorbestimmten Zeitabständen und/oder bei Überschreiten einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen einer stromaufwärts gelegenen Seite des abreinigbaren Filterelements (43) und einer stromabwärts gelegenen Seite des abreinigbaren Filterelements (43) erzeugt wird.
Vorrichtung (1) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (13) an einem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) in einer jeweiligen Schicht entsprechenden Stellen mit einer Prozesskammer (3) zum Herstellen des dreidimensionalen Objekts (2) und einem Umluftsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf für ein Gas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, wobei das Umluftsystem eine Filteranlage (40) enthält und die Filteranlage enthält: ein durch einen Gasdruckstoß abreinigbares Filterelement (43) und eine Abreinigungsvorrichtung (50) zum Erzeugen eines Gasdruckstoßes zum Abreinigen des abreinigbaren Filterelements (43).
Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13) mit den Schritten: a) Aufbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials (13) auf eine Arbeitsebene (10) in einer Prozesskammer (3), b) selektives Verfestigen der Schicht des Aufbaumaterials (13) an den dem Querschnitt des herzustellenden Objekts (2) entsprechenden Stellen und c) Wiederholen der Schritte a) und b), bis das Objekt (2) fertiggestellt ist, wobei während der Herstellung des Objekts: ein Gasstrom (33) durch die Prozesskammer (10) geführt wird, das den Gasstrom bildende Gas in einem Umluftsystem (31, 32, 3, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf umläuft, das in dem Gaskreislauf umlaufende Gas in einer ersten Richtung durch ein durch einen Gasdruckstoß abreinigbares Filterelement (43) geleitet wird, und das abreinigbare Filterelement (43) von Zeit zu Zeit abgereinigt wird durch Leiten eines Gasdruckstoßes durch das abreinigbare Filterelement (43) hindurch in einer zweiten Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, und/oder über die Filterfläche des abreinigbaren Filterelements (43).
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem der Schritt des Abreinigens des abreinigbaren Filterelements (43) in einer Pause nach einem der Schritte a) oder b) erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, bei dem die Prozesskammer (3) während des Schritts des Abreinigens des abreinigbaren Filterelements (43) gasdicht abgeschottet wird.