DE102016220949B3 - Method for rapidly inerting a chamber of an additive component manufacturing machine and associated machine - Google Patents
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Abstract
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Inertisieren einer Kammer (2) einer Maschine (1) zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere einer LMF- oder SLS-Maschine, weist folgende Verfahrensschritte auf:Expandieren eines Expansionskörpers (10) in der Kammer (2) bei einem geöffneten Kammerauslass (4) durch Befüllen des Expansionskörpers (10) mit einem Druckfluid (17), um das in der Kammer (2) befindliche Gasvolumen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch den Kammerauslass (4) aus der Kammer (2) zu verdrängen; undanschließend Befüllen der Kammer (2) mit einem Inertgas (17) durch einen geöffneten Kammereinlass (3) bei gleichzeitigem Entleeren des Expansionskörpers (10).The inventive method for inerting a chamber (2) of a machine (1) for the additive production of components, in particular an LMF or SLS machine, comprises the following method steps: expanding an expansion body (10) in the chamber (2) in an open Chamber outlet (4) by filling the expansion body (10) with a pressurized fluid (17) to at least partially, in particular completely, displace the gas volume in the chamber (2) out of the chamber (2) through the chamber outlet (4); and then filling the chamber (2) with an inert gas (17) through an open chamber inlet (3) while simultaneously deflating the expansion body (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Inertisieren einer Kammer einer Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere einer LMF(Laser Metal Fusion)- oder SLS(Selective Laser Melting)-Maschine, sowie auch eine zugehörige Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen. Eine derartige Maschine ist beispielsweise in
In Maschinen zur additiven Fertigung von Bauteilen werden reaktive Materialien verarbeitet, indem in einer Bau- oder Prozesskammer eine Pulverschicht (Metall, Keramik, Thermoplaste) auf eine Substratplatte aufgebracht und mit einem Laserstrahl verfestigt wird. Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl geschmolzen, spricht man von Laser Metal Fusion (LMF) oder Selective Laser Melting (SLM). Wird die Pulverschicht mit dem Laserstrahl nur gesintert, spricht man von Selective Laser Sintering (SLS). Anschließend wird die Substratplatte um eine Pulverschichtdicke abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht und erneut verfestigt, bis ein 3-dimensionales Bauteil gefertigt wurde.In machines for the additive production of components, reactive materials are processed by applying a powder layer (metal, ceramic, thermoplastics) to a substrate plate in a construction or process chamber and solidifying it with a laser beam. When the powder layer is melted with the laser beam, it is called Laser Metal Fusion (LMF) or Selective Laser Melting (SLM). If the powder layer is only sintered with the laser beam, this is called Selective Laser Sintering (SLS). Subsequently, the substrate plate is lowered by a powder layer thickness and a new powder layer is applied and solidified again until a 3-dimensional component has been produced.
Bei reaktiven Materialien in Form von leicht oxidierbaren und brennbaren Metallstäuben wird üblicherweise nach dem Schließen der Maschine ein unter Überdruck stehendes Inertgas, z.B. Stickstoff oder Argon, durch die Prozesskammer geleitet („Inertisierung“), so dass aufgrund des Überdrucks keine Verunreinigungen von außen in die Prozesskammer eindringen können. Der Sauerstoffgehalt und ggfs. auch der Anteil anderer Verunreinigungen (Wasser, organische Reste) in der Prozesskammer wird durch Verdrängung allmählich soweit „verdünnt“, bis mit dem Laserstrahl gefahrlos mit dem Aufschmelzen begonnen werden kann, ohne dass es zu unerwünschten Reaktionen des Pulvers, wie z.B. zu einer Explosion oder zu einer Fortpflanzung einer Verbrennung, kommt, was zu einer Störung des Prozesses führen kann, verbunden mit Einbußen in der Bauteilqualität bis hin zum Ausschuss. Dieser Verdünnungsvorgang hat allerdings den Nachteil, dass er sehr lange dauert, da durch das einströmende Inertgas nicht nur reaktives Gas, sondern auch bereits in der Prozesskammer vorhandenes Inertgas verdrängt wird.For reactive materials in the form of easily oxidizable and combustible metal dusts, usually after closing the machine, an inert gas under overpressure, e.g. Nitrogen or argon, passed through the process chamber ("inerting"), so that due to the overpressure no impurities can penetrate from the outside into the process chamber. The oxygen content and, if necessary, also the proportion of other impurities (water, organic residues) in the process chamber is gradually "diluted" by displacement until the laser beam can safely begin to melt it, without causing unwanted reactions of the powder, such as eg An explosion or reproduction of combustion occurs, which can lead to a disruption of the process, associated with losses in the quality of the components down to the rejects. However, this dilution process has the disadvantage that it takes a long time, since not only reactive gas, but also already existing in the process chamber inert gas is displaced by the incoming inert gas.
Der heutige LMF-Bauprozess erfordert eine definierte Schutzgasatmosphäre (z.B. O2- oder H2O-Gehalt). Die Inertisierung erfolgt heute fast ausschließlich in der Maschinenhauptzeit. Mit zunehmender Forderung nach hoher Schutzgas-Qualität (z.B. Rest-O2-Gehalt < 50 ppm) und größeren Bauräumen erhöht sich die Maschinenrüst- bzw. -stillstandzeit aufgrund der Dauer für die Inertisierung exponentiell. Konzeptbedingt werden die Maschinen beim Baujob-Wechsel regelmäßig geöffnet, wodurch sich die Kammern mit Luft füllen. Die Inertisierung erfolgt durch stetige Schutzgaszufuhr und Überwachung der Regelgrößen für die Atmosphäre (z.B. O2-Gehalt), bis der Zielwert in der Kammer erreicht ist. Dabei besteht die Gefahr, dass Bereiche der Maschine (z.B. angedockter Überlaufbehälter) strömungsbedingt nicht ausreichend inertisiert werden und Luftmassen aus „toten“ Zonen ggf. erst im Prozess (durch Verdrängung durch Pulver) in Bewegung geraten und den Bauprozess stören.Today's LMF construction process requires a defined protective gas atmosphere (eg O 2 or H 2 O content). The inerting today takes place almost exclusively in the machine main time. With increasing demand for high inert gas quality (eg residual O 2 content <50 ppm) and larger installation spaces, the machine set-up or downtime increases exponentially due to the duration for the inertization. Due to the concept, the machines are regularly opened when the job is changed, which causes the chambers to fill with air. The inertization is carried out by continuous supply of inert gas and monitoring of the controlled variables for the atmosphere (eg O 2 content) until the target value in the chamber has been reached. There is a risk that areas of the machine (eg docked overflow tank) due to the flow are not sufficiently inertized and air masses from "dead" zones, if necessary, only in the process (by displacement by powder) in motion and interfere with the construction process.
Um die Inertisierung der Prozesskammer zu beschleunigen, ist es bekannt, vor der Inertisierung an die Prozesskammer Vakuum anzulegen. Dies hat den Vorteil, dass reaktive Gase sehr schnell aus der Prozesskammer entfernt werden und nach dem anschließenden Befüllen der Prozesskammer mit Inertgas nur noch einen sehr geringen Anteil ausmachen. Dieser Vorgang lässt sich wiederholen, um den Anteil an reaktiven Gasen noch weiter zu verringern. Durch einen leichten Überdruck des Inertgases kann das Eindringen von Verunreinigungen von außen in die inertisierte Prozesskammer verhindert werden. Dies spart Schutzgas und Zeit beim Herstellen der inerten Atmosphäre in der Prozesskammer, hat jedoch den Nachteil, dass die Maschine sowohl für Drücke nahe 0 bar als auch für einen leichten Atmosphärenüberdruck ausgelegt werden muss. Das Vakuumisieren der Prozesskammer ist zwar deutlich effizienter als das bloße Fluten mit Inertgas, aber ggf. immer noch sehr zeitaufwendig.In order to accelerate the inerting of the process chamber, it is known to apply vacuum prior to inerting to the process chamber. This has the advantage that reactive gases are removed from the process chamber very quickly and after the subsequent filling of the process chamber with inert gas make up only a very small proportion. This process can be repeated in order to further reduce the proportion of reactive gases. By a slight overpressure of the inert gas, the ingress of impurities from the outside into the inertized process chamber can be prevented. This saves inert gas and time in the production of the inert atmosphere in the process chamber, but has the disadvantage that the machine must be designed both for pressures near 0 bar and for a slight atmospheric pressure. Although the vacuumization of the process chamber is significantly more efficient than the mere flooding with inert gas, it may still be time consuming.
Aus der
Aus der
Schließlich ist aus der
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zum schnellen und gassparenden Inertisieren einer Kammer der Maschine anzugeben, ohne dass die Kammer für größere Unterdrücke ausgelegt werden muss.In contrast, the present invention has for its object to provide an alternative method for rapid and gas-saving inerting a chamber of the machine, without the Chamber must be designed for greater negative pressures.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Inertisieren einer Kammer einer Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere einer LMF- oder SLS-Maschine, mit folgenden Verfahrensschritten:
- a. Expandieren eines Expansionskörpers in der Kammer bei einem geöffneten Kammerauslass durch Befüllen des Expansionskörpers mit einem Druckfluid, um das in der Kammer befindliche Gasvolumen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, durch den Kammerauslass aus der Kammer zu verdrängen; und
- b. anschließend Befüllen der Kammer mit einem Inertgas durch einen geöffneten Kammereinlass bei gleichzeitigem Entleeren (Inflation) des Expansionskörpers.
- a. Expanding an expansion body in the chamber at an open chamber outlet by filling the expansion body with a pressurized fluid to at least partially, in particular completely, displace the volume of gas in the chamber through the chamber outlet from the chamber; and
- b. then filling the chamber with an inert gas through an open chamber inlet with simultaneous emptying (inflation) of the expansion body.
Anstatt die in der Prozesskammer vorhandene Atmosphäre zeitaufwendig mit Inertgas soweit zu verdünnen, bis ein vorgegebener Sauerstoffgehalt erreicht ist, wird erfindungsgemäß ein flexibler, gasdichter Expansionskörper, wie z.B. ein BalIon oder Balg, in der Kammer aufgeblasen, bis er nahezu das gesamte, in der Kammer vorhandene freie Volumen ausfüllt und so die verunreinigte bzw. oxidierende Atmosphäre fast vollständig durch den Kammerauslass aus der Kammer verdrängt hat. Anschließend wird die Kammer mit Inertgas befüllt und der Expansionskörper entleert, so dass nur noch eine geringe Menge reaktiver Gase/ Verunreinigungen in der Kammer vorhanden ist. Wie im Falle von Vakuum kann dieser Vorgang ein- oder mehrmals wiederholt werden, um den Anteil an reaktiven Gasen in der Kammer immer weiter zu reduzieren. Das Expandieren des Expansionskörpers erfolgt am einfachsten durch Befüllen mit Druckluft oder Inertgas. Vorzugsweise sind der Kammereinlass und der Kammerauslass mit Ventilen ausgestattet, die von einer Maschinensteuerung entsprechend angesteuert werden.Instead of diluting the atmosphere in the process chamber time consuming with inert gas until a predetermined oxygen content is reached, according to the invention, a flexible, gas-tight expansion body, such. a balloon or bladder, inflated in the chamber until it fills almost all of the free volume present in the chamber and so has almost completely expelled the contaminated or oxidizing atmosphere from the chamber through the chamber outlet. Subsequently, the chamber is filled with inert gas and emptied of the expansion body, so that only a small amount of reactive gases / impurities in the chamber is present. As in the case of vacuum, this process can be repeated one or more times to further reduce the proportion of reactive gases in the chamber. The expansion of the expansion body is most easily done by filling with compressed air or inert gas. Preferably, the chamber inlet and the chamber outlet are equipped with valves, which are controlled by a machine control accordingly.
Das erfindungsgemäße Inertisierungsverfahren hat gegenüber den herkömmlichen Verfahren insbesondere die folgenden Vorteile:
- - kürzere Inertisierungsdauer und dadurch reduzierte Rüst- bzw. Nebenzeiten;
- - geringerer Inertgasverbrauch;
- - einfaches Monitoring ohne aufwendige O2-Sensorik in der Kammer;
- - Inertisierung schlecht zugänglicher Maschinenbereiche (z.B. Überlaufbehälter) effizient und unabhängig von der Füllhöhe des Pulvers in der Kammer.
- - shorter duration of inertization and thus reduced set-up times or idle times;
- - lower inert gas consumption;
- - simple monitoring without elaborate O 2 sensors in the chamber;
- - Inerting of poorly accessible machine areas (eg overflow tank) efficiently and independently of the filling level of the powder in the chamber.
Bevorzugt erfolgt das Befüllen der Kammer mit dem Inertgas bei geschlossenem Kammerauslass, wobei die Befüllung der Kammer mit Inertgas und die Entleerung des Expansionskörpers entsprechend gegenläufig erfolgen. Aufgrund des geschlossenen Kammerauslasses kann der in der Kammer aufgebaute InertgasÜberdruck dann während der gesamten Prozessdauer gehalten werden.Preferably, the filling of the chamber with the inert gas takes place with the chamber outlet closed, the filling of the chamber with inert gas and the emptying of the expansion body being carried out in the opposite direction. Due to the closed chamber outlet, the inert gas excess pressure built up in the chamber can then be maintained during the entire process duration.
Alternativ kann das Befüllen der Kammer mit dem Inertgas auch bei geöffnetem Kammerauslass erfolgen, solange das Inertgas in der Kammer stets unter Überdruck steht.Alternatively, the filling of the chamber with the inert gas can also be carried out with the chamber outlet open, as long as the inert gas in the chamber is always under overpressure.
Insbesondere um den Expansionskörper vor zu hohen Temperaturen in der Kammer zu schützen und die Schutzgasströmung während des Prozesses nicht zu beeinflussen, verbleibt der Expansionskörper nicht dauerhaft in der Kammer, sondern ist in seiner nicht-expandierten Ausgangsstellung vorteilhaft außerhalb der eigentlichen Kammer untergebracht, z.B. in einem zur Kammer hin offenen Verstauraum, der mit einer Abdeckung von der Kammer abgesperrt werden kann. Durch Befüllen mit dem Druckfluid kann der Expansionskörper aus dem Verstauraum in die Kammer hinein expandiert werden. Nachdem die Kammer mit Inertgas gefüllt und der entleerte Expansionskörper durch das einströmende Inertgas oder manuell über Handschuheingriffe wieder im Verstauraum untergebracht worden ist, kann der Verstauraum wieder mit der Abdeckung verschlossen werden. Ohne aufwendiges Monitoring ist die Kammer vollständig inertisiert, wenn der Expansionskörper wieder entleert worden ist.In particular, in order to protect the expansion body from excessive temperatures in the chamber and not to influence the protective gas flow during the process, the expansion body does not remain permanently in the chamber, but is advantageously housed in its non-expanded initial position outside the actual chamber, e.g. in an open to the chamber storage space, which can be closed off with a cover of the chamber. By filling with the pressurized fluid, the expansion body can be expanded out of the stowage space into the chamber. After the chamber has been filled with inert gas and the emptied expansion body has been accommodated in the storage space again by the inflowing inert gas or manually by means of gloves, the stowage space can be closed again with the cover. Without extensive monitoring, the chamber is completely inertized when the expansion body has been emptied again.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere LMF- oder SLS-Maschine, mit einer inertisierbaren Kammer, die eine Einlassöffnung für Inertgas und eine Auslassöffnung aufweist, wobei die Maschine erfindungsgemäß einen mit einem Druckfluid befüllbaren, in der Kammer expandierbaren Expansionskörper aufweist, der in einer in der Kammer expandierten Stellung das in der Kammer vorhandene freie Volumen zumindest teilweise, insbesondere vollständig ausfüllt.In a further aspect, the invention also relates to a machine for the additive production of components, in particular an LMF or SLS machine, having an inertizable chamber which has an inlet opening for inert gas and an outlet opening, wherein the machine according to the invention can be filled with a pressurized fluid the chamber has expandable expansion body which at least partially, in particular completely fills the free volume present in the chamber in an expanded position in the chamber.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention will become apparent from the description, the claims and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiment shown and described is not to be understood as an exhaustive list, but rather has exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1a -1c schematisch die Prozesskammer einer LMF-Maschine zur additiven Fertigung von Bauteilen mit einem Expansionskörper, der in1a in einer nicht-expandierten Ausgangsstellung, in1b in einer expandierten Endstellung und in1c in einer teilexpandierten Zwischenstellung gezeigt ist.
-
1a -1c schematically the process chamber of an LMF machine for the additive production of components with an expansion body, which in1a in a non-expanded starting position, in1b in an expanded end position and in1c is shown in a partially expanded intermediate position.
Die in
Aufgrund der reaktiven Pulvermaterialien in Form von leicht oxidierbaren und brennbaren Metallstäuben muss die Prozesskammer
Die Einlassöffnung
In der Ausgangsstellung ist der nicht-expandierte Expansionskörper
Zum schnellen und gassparenden Inertisieren der Prozesskammer
Die Abdeckung
Die Ansteuerung der einzelnen Ventile
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