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Die Erfindung betrifft ein Beströmungssystem zur Beströmung eines Baufelds einer Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, eine Beströmungsanordnung mit einem solchen Beströmungssystem, eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile und ein Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile.
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Additive Herstellvorrichtungen und zugehörige Herstellungsverfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass Objekte (Bauteile) durch Verfestigen eines formlosen Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial durch Bestrahlung desselben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, zum Beispiel beim Lasersintern („SLS“ oder „DMLS“), Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen, herbeigeführt werden. Beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird der Einwirkbereich des Laserstrahls (Laserfleck) auf eine Schicht des Aufbaumaterials über jene Stellen der Schicht bewegt, die dem Bauteilquerschnitt des herzustellenden Bauteils in dieser Schicht entsprechen. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen mit einem Laserstrahl örtlich selektiv verfestigt. Anstelle des Einbringens von Wärmeenergie kann das aufgetragene Aufbaumaterial auch durch 3D-Drucken selektiv verfestigt werden, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers bzw. Bindemittels. Entsprechend arbeitende Vorrichtungen und Verfahren werden beispielsweise beim sog. Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Häufig werden, vor allem zur Bestrahlung größerer Baufelder für entsprechend große Bauteile, mehrere Bestrahlungseinheiten eingesetzt.
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die additive Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials innerhalb eines Baufelds. Es können verschiedene Arten von Aufbaumaterialien eingesetzt werden, insbesondere Pulver wie zum Beispiel Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand sowie gefüllte und/oder gemischte Pulver.
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Üblicherweise werden die Baufelder solcher Herstellungsvorrichtungen bzw. 3D-Drucker insgesamt von einem Rand zum anderen Rand des Baufelds in einer Richtung überströmt, um Verunreinigungen des Fertigungsprozesses wie Spratzer, Rauch und Dämpfe mittels eines Gases abzuführen. Dabei wird eine laminare Strömung angestrebt. Eine laminare Strömung soll verhindern, dass Turbulenz, d.h. Wirbel des überströmenden Gases, die idealerweise ebene und gleichmäßige Oberfläche der Pulverschicht des Baufelds beeinträchtigen. Beispielsweise könnten Verwirbelungen zur Verlagerung des pulvrigen Aufbaumaterials führen, also zu einem lokalen Abtrag oder einer lokalen Anhäufung des Pulvers im Baufeld. Dies würde den Aufbauprozess beeinträchtigen, der auf dem Aufbau gleichmäßiger Schichten basiert.
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Die charakteristische Kennzahl für die strömungsmechanische Beschreibung einer Strömung als laminar oder turbulent ist die Reynolds-Zahl. Neben der Strömungsgeschwindigkeit, der Dichte und der Viskosität des strömenden Fluids (Gases), hängt diese Kennzahl von der charakteristischen Länge der Strömung ab. Im Fall der Überströmung eines Baufelds ist diese Länge durch eine Abmessung des Baufelds gegeben. Bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit kann eine Strömung, die bei einem kleinen Baufeld laminar wäre, bei einem größeren Baufeld in eine turbulente Strömung umschlagen. Bei der additiven Fertigung großer Bauteile besteht deshalb das Problem, dass die Überströmung des gesamten Baufelds in einer Richtung nur bis zu einer bestimmten Größe des Baufelds bzw. des Bauteils möglich ist, ohne dass die Strömung turbulent wird. Eine Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit würde sich negativ auf die abführbare Menge von Verunreinigungen somit auf die erreichbare Prozessgeschwindigkeit auswirken.
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Die
EP 2 862 651 A1 zeigt eine Beströmungseinrichtung mit zwei seitlich vom Baufeld an Wänden der Prozesskammer angeordneten Gasein- bzw. -auslässen und einem über dem Baufeld zentral angeordneten Gasaus- bzw. -einlass. Das durchgängige Baufeld ist in sich überlappende Bestrahlungsbereiche aufgeteilt, die jeweils durch eine dem Bestrahlungsbereich zugeordneten Bestrahlungseinheit bestrahlt werden können. Der Baufeldbereich unterhalb des zentralen Gasaus- bzw. -einlasses ist durch den Gasaus- bzw. -einlasses von oben abgeschattet. Nur wenn ein ausreichender vertikaler Abstand des zentralen Gasaus- bzw. -einlasses vom Baufeld einhalten wird, ist dieser Bereich für schräg nach unten gerichtete Strahlen der Bestrahlungseinheiten von der Seite her erreichbar.
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In der
DE 10 2016 209 933 A1 werden sich bezüglich des auftreffenden Laserstrahls gegenüberliegende Düsen zur Beströmung des Baufelds mit dem Laserstrahl und der Auftragseinrichtung mitbewegt.
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In der
DE 10 2014 218 639 A1 werden zur Beströmung des Baufelds Einström- und Ausströmöffnungen für das Gas zusammen mit der Bestrahlungseinrichtung über das Baufeld bewegt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass sie keine optimale Strömungsführung, insbesondere nicht im geringstmöglichen Abstand über dem Baufeld, zulassen und/oder eine komplizierte Steuerung der bewegten Beströmungseinrichtung und der Bestrahlungseinheiten erfordern. Die erreichbaren Fertigungsgeschwindigkeiten sind dadurch begrenzt, insbesondere für große Bauteile, die in entsprechend großen Baufeldern gefertigt werden. Für Beströmungeinrichtungen, die in unmittelbarer Nähe der Bestrahlungseinheiten angeordnet bzw. mit diesen gekoppelt sind, besteht bei der Verwendung mehrerer Bestrahlungseinheiten zudem die Gefahr der gegenseitigen Behinderung während des Fertigungsprozesses.
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Die vorliegende Erfindung hat deshalb die Aufgabe, eine Beströmungsvorrichtung, eine Herstellvorrichtung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung bereitzustellen, die insbesondere für große Bauteile geeignet sind, insbesondere für solche Bauteile, deren Baufeld einen Aussparungsbereich aufweist. Es soll eine verbesserte Strömungsführung über große Baufelder erreicht werden, insbesondere über solche Baufelder, die einen Aussparungsbereich aufweisen. Insbesondere soll eine möglichst hohe Fertigungsgeschwindigkeit bei hoher Bauteilqualität erzielt werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beströmungssystem nach Anspruch 1, eine Beströmungsanordnung nach Anspruch 11, eine Herstellvorrichtung nach Anspruch 13 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 18.
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Insbesondere wird die Aufgabe gelöst durch ein Beströmungssystem zur Beströmung eines Baufelds einer Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds mittels einer Vielzahl von Bestrahlungseinheiten, wobei das Beströmungssystem umfasst:
- - mindestens eine äußere Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung und
- - mindestens eine zentrale Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung,
- wobei mindestens eine erste Beströmungsöffnung mit einer Gasabführung zum Abführen von Gas aus einer Prozesskammer der Herstellvorrichtung und mindestens eine zweite Beströmungsöffnung mit einer Gaszuführung zum Zuführen von Gas in die Prozesskammer gasleitend verbindbar sind,
- wobei die äußere Strömungsführung und die zentrale Strömungsführung zur Anordnung außerhalb eines zur Fertigung des Bauteils nutzbaren Baufelds ausgebildet sind,
- wobei sich das, insbesondere ringförmige, Baufeld in einer radialen Richtung erstreckt und sich von einer, vorzugsweise zentralen, Baufeldaussparung abgrenzt, die nicht zur Fertigung des Bauteils nutzbar ist,
- wobei die äußere Strömungsführung zur Anordnung in einem Baufeld-Außenbereich, der in radialer Richtung nach außen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, und die zentrale Strömungsführung zur Anordnung in einem, vorzugsweise zentralen, Baufeld-Aussparungsbereich, der in radialer Richtung nach innen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, ausgebildet sind, um insbesondere eine in mindestens einer im Wesentlichen radialen Strömungsrichtung über das Baufeld verlaufende Gasströmung zu erzeugen.
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Eine Idee der Erfindung ist es, die Form des Baufeldes bzw. des zu fertigenden Bauteils auszunutzen, um ein Beströmungssystem bzw. eine Beströmungsanordnung so auszuführen, dass die charakteristische Länge der Strömung reduziert wird. Dadurch kann ein Übergang von einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung verhindert werden. Insbesondere wird durch ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem bzw. eine erfindungsgemäße Beströmungsanordnung der Strömungsweg einer Strömung über das Baufeld möglichst kurz. Ein solche/s Beströmungssystem bzw. -anordnung ist zudem einfach aufgebaut. Außerdem kann das Beströmungssystem, insbesondere die zentrale Strömungsführung, in unmittelbarer Nähe des Baufelds angeordnet werden, wodurch eine im Hinblick auf die Wirkung verbesserte Strömungsführung erreicht wird.
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Die additive Fertigung des dreidimensionalen Bauteils erfolgt insbesondere durch schichtweises Aufbringen in einer vertikalen Richtung und örtlich selektives Verfestigen eines (formlosen) Aufbaumaterials, vorzugsweise Pulvers, innerhalb des Baufelds. Die vertikale Richtung verläuft insbesondere (vertikal) parallel zu einer Längsachse der Herstellvorrichtung, wobei sich eine Arbeitsebene vorzugsweise senkrecht dazu (horizontal) erstreckt. Die Längsachse kann als eine Symmetrieachse der (zylindrischen) Prozesskammer der Herstellvorrichtung verstanden werden. Insbesondere bleiben die Arbeitsebene und das darin liegende Baufeld während des (gesamten) Fertigungsprozesses in derselben Höhe (in der vertikalen Richtung). In einem Baufeld können mehrere Bauteile gleichzeitig gefertigt werden.
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Unter einem Baufeld kann ein zweidimensionaler Bereich (2D-Teilbereich) der Arbeitsebene der Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung verstanden werden, in dem die Strahlen der Bestrahlungseinheiten zur selektiven Verfestigung auf das Aufbaumaterial auftreffen können bzw. in dem sich ein das Bauteil aufnehmender Baubehälter erstreckt, der (auch) das (unverfestigte) Aufbaumaterial enthält. Insofern ist die Fläche des Baufelds für die Fertigung nutzbar. Insbesondere kann das Baufeld als die oberste Pulverschicht (2D-Oberfläche) verstanden werden. Die Baufeldaussparung kann als eine vom Baufeld ausgesparte Fläche verstanden werden, die die Strahlen der Bestrahlungseinheiten nicht erreichen bzw. über die sich der Baubehälter nicht erstreckt.
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Ein Baufeldbereich kann als ein dreidimensionaler Bereich (unmittelbar) oberhalb des Baufeldes verstanden werden, der dieselbe Ausdehnung (Querschnittsfläche bzw. Grundfläche) wie das Baufeld hat. Der Baufeld-Aussparungsbereich gehört insbesondere nicht zum Baufeldbereich. Insbesondere stellt die Fläche der Baufeldaussparung eine Querschnittsfläche des Baufeld-Aussparungsbereichs dar. Der Baufeld-Aussparungsbereich kann als ein vom Baufeldbereich zumindest teilweise umgebener bzw. umschlossener Bereich verstanden werden. Insofern kann der Baufeld-Aussparungsbereich auch ein zentraler bzw. innerer Bereich (bezogen auf den Baufeldbereich bzw. das Baufeld) bezeichnet werden. Insbesondere ergänzen sich der (radial außen außerhalb des Baufeldbereichs liegende) Baufeld-Außenbereich und der (radial innen außerhalb des Baufeldbereichs liegende) Baufeld-Aussparungsbereich mit dem Baufeldbereich zu dem Raum, der den Baubehälter (und das Baufeld) umgibt und zwar sowohl unterhalb als auch oberhalb der Arbeitsebene sowie auf gleicher Höhe wie die Arbeitsebene. Anders ausgedrückt könnte der Raum oberhalb der Arbeitsebene und seitlich des Baubehälters in den Baufeld-Außenbereich, den Baufeldbereich und den Baufeld-Aussparungsbereich zerlegt werden, wobei das Baufeld deckungsgleich mit der Grundfläche des Baufeldbereichs ist. Der Baufeldbereich könnte als der gasgefüllte räumliche Bereich (3D-Raum) oberhalb des Baufeldes (2D-Fläche) angesehen werden. Insofern sind die Teile des Baufeld-Aussparungsbereichs und des Baufeld-Außenbereichs oberhalb der Arbeitsebene zusammengenommen der komplementäre Raum zum Baufeldbereich. Der Baufeld-Aussparungsbereich kann mit dem Baufeld-Außenbereich verbunden sein, zum Beispiel falls das Baufeld eine U-Form hat. Insbesondere könnte die Form eines Baufeldes bzw. eines Baufeldbereichs, der einen Baufeld-Aussparungsbereich im Sinne der Erfindung aufweist, so definiert werden, dass der Flächenschwerpunkt des Baufeldes außerhalb der Konturen (des Randes) bzw. der Fläche des Baufeldes liegt, zum Beispiel im Fall eines ringförmigen oder U-förmigen Baufeldes. Spezieller könnte das Baufeld durch eine äußere (geschlossene) Umfangslinie und eine innere (geschlossene) Umfangslinie definiert werden, die insbesondere ein sich radial erstreckendes Baufeld begrenzen, wobei die innere Umfangslinie die Baufeldaussparung (2D-Fläche) von Baufeld (2D-Fläche) abgrenzt.
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Insbesondere sind mehrere Bestrahlungseinheiten oberhalb des Baufelds verteilt bzw. um das Baufeld herum angeordnet. Insbesondere sind die Bestrahlungseinheiten dazu ausgebildet, das Baufeld gleichzeitig zu bestrahlen. Das Baufeld kann in Segmente, z.B. Kreissegmente oder Ringsegmente, unterteilt sein, wobei jedem Segment eine Bestrahlungseinheit zugeordnet sein kann. Die erfindungsgemäße Beströmung kann auch zum Überströmen eines Einkoppelfensters und/oder einer oder mehrerer Bestrahlungseinheiten verwendet werden.
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Eine radiale Richtung kann von der zentralen Strömungsführung zur äußeren Strömungsführung hin, oder umgekehrt, laufen. Vorzugweise verläuft die Gaströmung über die (gesamte) Umfangsrichtung des Baufelds bzw. des Bauteils (an jeder Stelle des Umfangs) in radialer Richtung, d.h. insbesondere nach innen oder außen. Die Gasströmung kann von einer Mitte des Baufelds (beidseitig) weg, d.h. von der Mitte nach außen und innen, bzw. (von beiden Seiten) zur Mitte des Baufelds hin, d.h. von außen und innen zur Mitte, verlaufen.
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Die äußere und zentrale Strömungsführung können getrennt voneinander, d.h. insbesondere nicht (unmittelbar) baulich miteinander verbunden, vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die äußere und/oder zentrale Strömungsführung stationär (unbeweglich) ausgeführt, d.h. insbesondere unbeweglich relativ zum Baufeld. Eine Strömungsführung kann einen Kanal, eine Leitung, bzw. einen Kanal- oder Leitungsabschnitt umfassen. Eine Beströmungsöffnung kann (je nach Strömungsrichtung) die Funktion einer Auslassöffnung oder Einlassöfffnung für Gas haben. Eine Gasabführung kann als Auslassöffnung für Gas aus einer Prozesskammer bzw. eine Gaszuführung als Einlassöffnung für Gas in eine Prozesskammer vorgesehen sein.
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Durch die Anordnung der zentralen Strömungsführung ein einem Baufeld-Aussparungsbereich, der nicht zum Baufeldbereich gehört und deshalb während der Fertigung nicht beströmt werden muss, wie beispielsweise der Innenbereich eines ringförmigen Baufeldbereichs, wird einerseits das Baufeld von der Strömungsführung nicht abgeschattet und andererseits die zu überströmende Länge (in radialer Richtung) des Baufelds verkürzt. Der Strömungsweg über das Baufeld bzw. durch den Baufeldbereich wird reduziert. Diese Weise kann auch für große Bauteile, die eine (zentrale) Aussparung aufweisen, eine laminare Strömung über das Baufeld erreicht werden. Dadurch werden Verwirbelungen des Auftragsmaterials im Baufeld vermieden, eine gleichmäßige Schichtdicke des Auftragsmaterials beibehalten und somit ein Fertigungsprozess für eine hohe Bauteilqualität bei hoher Fertigungsgeschwindigkeit ermöglicht, insbesondere auch für relativ große Bauteile.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die äußere Strömungsführung und die zentrale Strömungsführung zur Anordnung oberhalb des Baufelds ausgebildet. Insbesondere können die Beströmungsöffnungen der Strömungsführungen unmittelbar oberhalb des Baufelds angeordnet werden, wodurch eine im Hinblick auf die Wirkung verbesserte Strömungsführung erreichbar ist. Es ist aber auch möglich die äußere Strömungsführung und/oder die zentrale Strömungsführung in oder unterhalb der Ebene des Baufelds (Arbeitsebene) anzuordnen. Beispielsweise könnten Beströmungsöffnungen der äußeren Strömungsführung nach oben ausgerichtet sein, um Gas nach unten abzusaugen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind/ist die äußere Strömungsführung und/oder die zentrale Strömungsführung zur in einer Umfangsrichtung des Baufelds unbeweglichen Anordnung ausgebildet. Insbesondere sind die äußere und/oder innere zentrale Strömungsführung relativ zum Baufeld unbeweglich, d.h. stationär, angeordnet. Insbesondere sind äußere und/oder die zentrale Strömungsführung in Umfangsrichtung, vorzugsweise in Umfangsrichtung und in radialer Richtung, des Baufelds unbeweglich ausgeführt bzw. angebracht, vorzugsweise entlang der gesamten Umfangsrichtung. Unter der Umfangsrichtung kann eine Begrenzungslinie (Kontur) des Baufelds verstanden werden, die insbesondere dem Verlauf der Behälterinnenwand bzw. der Behälteraußenwand entspricht. Insbesondere sind die äußere Strömungsführung und/oder die zentrale Strömungsführung nicht zur Mitführung mit einer Bestrahlungszone des Baufeldes ausgebildet, d.h. die Strömungsführungen werden insbesondere nicht mit dem Beschichter und/oder einer Bestrahlungseinheit mitgeführt. Dadurch kann auf eine aufwändige Steuerung, insbesondere auf eine Abstimmung der Bewegung der Bestrahlungseinheiten mit der Bewegung der Strömungsführungen verzichtet werden. Kollisionen von verschiedenen Strömungsführungen miteinander sind ausgeschlossen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Außenkonturen eines Gehäuses der zentralen Strömungsführung, insbesondere die Ausrichtung der mindestens einen Beströmungsöffnung, an den Baufeld-Aussparungsbereich abgrenzende Konturen des Baufeldes angepasst. Insbesondere folgt die Form der Baufeld-Aussparung der Kontur (Konturlinie) des Baufelds bzw. schmiegt sich an diese Konturen an. Die Form der Baufeld-Aussparung entspricht insbesondere der Form der Behälterinnenwand bzw. der Behälteraußenwand. Vorzugsweise sind die Beströmungsöffnungen (an Stellen entlang der Umfangsrichtung) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu den Konturen (Konturlinie) des Baufeldes ausgerichtet. Insbesondere sind die Beströmungsöffnungen in radialer Richtung ausgerichtet.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Baufeld derart geformt, dass der Flächenschwerpunkt des Baufeldes außerhalb der Konturen des Baufeldes liegt. Der Flächenschwerpunkt des Baufelds liegt insbesondere außerhalb der Fläche des Baufelds, vorzugsweise innerhalb des (zentralen) Baufeld-Aussparungsbereichs. Für ein derart geformtes Baufeld kann durch die Anordnung der zentralen Strömungsführung im Baufeld-Aussparungsbereich eine signifikante Verkürzung des Strömungswegs über das Baufeld, d.h. insbesondere zwischen der zentralen Strömungsführung und der äußeren Strömungsführung, erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die äußere Strömungsführung und/oder die zentrale Strömungsführung jeweils mindestens ein, vorzugsweise radial ausgerichtetes, Strömungsleitelement zur Beeinflussung der Strömungsrichtung der Gasströmung über das Baufeld auf. Insbesondere sind mehrere über die Umfangsrichtung des Baufeldes verteilte Radiallamellen, Strömungsleitgitter und/oder Lochbleche vorgesehen. Vorzugsweise sind mehrere Strömungsleitelemente über die gesamte Umfangsrichtung der zentralen Strömungsführung (gleichmäßig) verteilt angeordnet. Dadurch wird die radiale Strömungsrichtung der Gasströmung über das Baufeld vorgegeben.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die zentrale Strömungsführung mindestens eine Anschlussöffnung zur Verbindung mit der Gasabführung oder der Gaszuführung auf und ist dazu ausgebildet, eine Gasströmung zwischen der Anschlussöffnung und der mindestens einen Beströmungsöffnung von einer im Wesentlichen axialen Strömungsrichtung in eine radiale Strömungsrichtung umzulenken, oder umgekehrt. Die zentrale Strömungsführung kann Strömungsumlenkungsabschnitte, beispielsweise mindestens einen gebogenen Kanal- oder Leitungsabschnitt aufweisen, vorzugsweise mit einem Umlenkwinkel von ungefähr 90°. Auf diese Weise kann Gas durch die zentrale Strömungsführung dem Baufeld von oben (axial) kommend zugeführt und in radialer Richtung auf das Baufeld geleitet werden bzw. aus radialer Richtung über das Baufeld kommend nach oben (axial) abgeführt werden. Das Zuführen bzw. Abführen von Gas von bzw. nach oben durch die im Baufeld-Aussparungsbereich angeordnete zentrale Strömungsführung erzeugt keine Abschattung des Baufeldes und ermöglicht den Bestrahlungseinheiten eine uneingeschränkte Bestrahlung des Baufeldes.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die zentrale Strömungsführung und/oder die äußere Strömungsführung jeweils mehrere öffenbare und verschließbare Beströmungsöffnungen, insbesondere öffenbare und verschließbare Düsen mit Beströmungsöffnungen, auf, wobei vorzugsweise einem bestimmten Radialsegment des Baufeldes zugeordnete Beströmungsöffnungen öffenbar und schließbar sind. Unter einem Radialsegment kann ein sich in radialer Richtung des Baufelds erstreckender Teilbereich des Baufelds verstanden werden, insbesondere ein Kreissektor bzw. ein Sektor über einen bestimmten Winkelbereich (<360°). Durch ein Schließen der Beströmungsöffnungen können bestimmte Radialsegmente von der Beströmung ausnehmbar sein. Insbesondere sind Beströmungsöffnungen der äußeren und zentralen Strömungsführung, die bestimmten Radialsegmenten des Baufeldes zugeordnet sind, zumindest in Wesentlichen synchronisiert öffenbar oder schließbar. Auf diese Weise kann die Strömung auf einen Bereich des Baufelds beschränkt werden, in dem das Bauteil momentan aufgebaut wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Beströmungsöffnung der zentralen Strömungsführung mit der Gaszuführung und mindestens eine Beströmungsöffnung der äußeren Strömungsführung mit der Gasabführung verbindbar, wobei insbesondere eine im Wesentlichen in einer radialen Strömungsrichtung nach außen über das Baufeld verlaufende Gasströmung erzeugbar ist. Alternativ kann mindestens eine Beströmungsöffnung der äußeren Strömungsführung mit der Gaszuführung und mindestens eine Beströmungsöffnung der zentralen Strömungsführung mit der Gasabführung verbindbar sein, sodass sich eine im Wesentlichen radiale Strömung von außen über das Baufeld nach innen einstellt. Bevorzugt wird aber Gas über die zentrale Strömungsführung eingeblasen und über die äußere Strömungsführung abgesaugt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine erste Beströmungsöffnung der zentralen Strömungsführung mit der Gaszuführung und eine zweite Beströmungsöffnung der zentralen Strömungsführung mit der Gasabführung verbindbar ist und/oder eine erste Beströmungsöffnung der äußeren Strömungsführung mit der Gaszuführung und eine zweite Beströmungsöffnung der äußeren Strömungsführung mit der Gasabführung verbindbar. Insbesondere sind die jeweiligen Beströmungsöffnungen einer zentralen und/oder äußeren Strömungsführung übereinander angeordnet sein. Durch eine Verbindung der zentralen und der äußeren Strömungsführungen jeweils mit der Gaszuführung und der Gasabführung ist sind entgegengesetzt zirkulierende Strömungen über dem Baufeld erzeugbar. Insbesondere ist in einem ersten radialen Bereich des Baufelds eine im Wesentlichen in einer radialen Strömungsrichtung nach außen und in einem zweiten radialen Bereich des Baufelds eine im Wesentlichen in einer radialen Strömungsrichtung nach innen über das Baufeld verlaufende Gasströmung erzeugbar. In einer ersten Ausführungsform wird Gas in einem Mittelbereich des Baufelds von oben zugeführt und strömt zu beiden radialen Seiten (nach innen und außen) ab bzw. von beiden radialen Seiten abgesaugt. In einer zweiten Ausführungsform wird Gas in beiden radialen Seiten (von innen und außen) zugeführt und strömt in einem Mittelbereich des Baufelds nach oben ab. Auf diese Weise kann der Strömungsweg in einer Strömungsrichtung über dem Baufeld weiter reduziert werden.
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Die genannte Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch eine Beströmungsanordnung zur Beströmung eines Baufelds einer Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds mittels einer Vielzahl von Bestrahlungseinheiten, umfassend ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem, wobei die äußere Strömungsführung und die zentrale Strömungsführung außerhalb eines zur Fertigung des Bauteils nutzbaren Baufelds angeordnet sind, wobei sich das, insbesondere ringförmige, Baufeld in einer radialen Richtung erstreckt und sich von einer, vorzugsweise zentralen, Baufeldaussparung abgrenzt, die nicht zur Fertigung des Bauteils nutzbar ist, wobei die äußere Strömungsführung in einem Baufeld-Außenbereich, der in radialer Richtung nach außen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, und die zentrale Strömungsführung in einem, vorzugsweise zentralen, Baufeld-Aussparungsbereich, der in radialer Richtung nach innen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, angeordnet sind, um insbesondere eine in mindestens einer im Wesentlichen radialen Strömungsrichtung über das Baufeld verlaufende Gasströmung zu erzeugen.
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Eine solche Beströmungsanordnung hat die gleichen Vorteile wie sie im bereits im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Beströmungssystem beschrieben wurden. Insbesondere sind alle beschriebenen Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Beströmungssystems auch auf die Beströmungsanordnung anwendbar bzw. durch eine entsprechende Anordnung des Beströmungssystems umsetzbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beströmungsanordnung beträgt ein vertikaler Abstand zwischen dem Baufeld und einer Beströmungsöffnung, insbesondere einer Mittelachse einer Beströmungsöffnung, weniger als eine Öffnungshöhe, vorzugsweise weniger als eine halbe Öffnungshöhe, weiter vorzugsweise weniger als ein Viertel der Öffnungshöhe, der Beströmungsöffnung. Beströmungsöffnungen können als (längliche) Beströmungsschlitze oder runde Beströmungsöffnungen, insbesondere als Düsenöffnungen, ausgeführt sein. Durch einen möglichst geringen (vertikalen) Abstand zwischen den Beströmungsöffnungen und dem Baufeld, eine möglichst nahe Überströmung Baufelds erreicht und damit eine wirkungsvolle Abführung von Verunreinigungen.
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Die genannte Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch die Verwendung eines Beströmungssystems oder einer Beströmungsanordnung, die eine äußere Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung und eine zentrale Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung aufweisen, zur Beströmung eines, insbesondere ringförmigen, Baufelds einer Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, insbesondere durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials innerhalb des Baufelds mittels einer Vielzahl von Bestrahlungseinheiten, wobei sich ein zur Fertigung des Bauteils nutzbares Baufeld in einer radialen Richtung erstreckt und sich von einer, vorzugsweise zentralen, Baufeldaussparung abgrenzt, die nicht zur Fertigung des Bauteils nutzbar ist. Insbesondere wird ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem oder ein erfindungsgemäß Beströmungsanordnung verwendet, um eine in mindestens einer im Wesentlichen radialen Strömungsrichtung über das Baufeld verlaufende Gasströmung zu erzeugen.
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Die genannte Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch eine Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels einer Vielzahl von Bestrahlungseinheiten, umfassend:
- - eine Prozesskammer;
- - mindestens eine Gaszuführung zum Zuführen von Gas in die Prozesskammer;
- - mindestens eine Gasabführung zum Abführen von Gas aus der Prozesskammer;
- - einen zur Prozesskammer hin offenen Baubehälter zur Aufnahme des Aufbaumaterials und mindestens eines zu fertigenden Bauteils, wobei der, insbesondere ringförmige, Baubehälter eine, vorzugsweise zentrale, Behälteraussparung zumindest teilweise umgibt,
wobei ein zur Fertigung des Bauteils nutzbares, insbesondere ringförmiges, Baufeld oberhalb des Baubehälters vorgesehen ist, das sich in einer radialen Richtung erstreckt und sich von einer, vorzugsweise zentralen, Baufeldaussparung abgrenzt, die nicht zur Fertigung des Bauteils nutzbar ist,
wobei ein, vorzugsweise zentraler, Baufeld-Aussparungsbereich, der in radialer Richtung nach innen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, mit einer Querschnittsfläche der Behälteraussparung übereinstimmt; und
- - ein Beströmungssystem zur Beströmung des Baufelds, insbesondere ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem,
das mindestens eine äußere Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung und mindestens eine zentrale Strömungsführung mit mindestens einer Beströmungsöffnung umfasst, wobei mindestens eine erste Beströmungsöffnung mit der Gasabführung und mindestens eine zweite Beströmungsöffnung mit der Gaszuführung gasleitend verbindbar sind,
wobei die äußere Strömungsführung in einem Baufeld-Außenbereich, der in radialer Richtung nach außen außerhalb des Baufelds angeordnet ist, und
die zentrale Strömungsführung in dem Baufeld-Aussparungsbereich angeordnet sind, um insbesondere eine in mindestens einer im Wesentlichen radialen Strömungsrichtung über das Baufeld verlaufende Gasströmung zu erzeugen.
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Eine Querschnittsfläche der Behälteraussparung liegt insbesondere in einer (horizontalen) Querschnittsebene durch den Baubehälter, die vorzugsweise parallel zur Arbeitsebene der Herstellvorrichtung verläuft oder mit dieser übereinstimmt. Insbesondere erstreckt sich der Baufeldbereich oberhalb des Baufelds, wobei sich der Baufeld-Aussparungsbereich oberhalb der Behälteraussparung (und der Behälterinnenwand) erstreckt. Insbesondere ergänzt das Volumen der Behälteraussparung das Volumen des Aufnahmebereichs (Hohlvolumen) des Baubehälters (zuzüglich der Behälterwand).
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Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung umfasst insbesondere ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem bzw. eine erfindungsgemäße Beströmungsanordnung zur Beströmung des Baufeldes und weist entsprechend bereits zuvor beschriebenen Vorteile auf. Insbesondere ist die Herstellvorrichtung einfach aufgebaut und für die Fertigung einfach steuerbar. Die zuvor beschriebenen Weiterbildungen des Beströmungssystems und der Beströmungsanordnung sind in der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung umsetzbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Baubehälter derart geformt, dass der Flächenschwerpunkt einer Querschnittsfläche des Aufnahmebereichs des Baubehälters außerhalb des Aufnahmebereichs des Baubehälters, insbesondere außerhalb einer Baubehälterwand liegt. Vorzugsweise liegt der Flächenschwerpunkt des Aufnahmebereichs des Behälters in der (zentralen) Behälteraussparung. Für einen derart geformten Baubehälter kann durch die Anordnung der zentralen Strömungsführung im Baufeld-Aussparungsbereich (oberhalb der Behälteraussparung) eine signifikante Verkürzung des Strömungswegs über das Baufeld, d.h. insbesondere zwischen der zentralen Strömungsführung und der äußeren Strömungsführung, erreicht werden. Indem die zentrale Strömungsführung im Baufeld-Aussparungsbereich angeordnet wird, der nicht zu Fertigung genutzt bzw. von den Bestrahlungseinheiten nicht bestrahlt wird, ist eine radiale Gasströmung über das Baufeld erreichbar, die im Vergleich zu einer Beströmung des gesamten Baufeldes von einer Seite zur anderen nur einen relativ kurzen Strömungsweg erfordert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Aufnahmebereich des Baubehälters die eine ringförmige, ringsegmentförmige, nierenförmige, U-förmige, L-förmige oder Rechteckrahmen-förmige Querschnittsfläche auf, wobei sich insbesondere die Querschnittsflächen der Behälteraussparung, der Behälterwand und des Aufnahmebereichs vervollständigen. Solche Formen des Baubehälters sind Beispiele für entsprechend geformte aufzunehmende Bauteile und Baufelder (definiert durch die obere Öffnungsform des Baubehälters), für die radiale Gasströmungen umsetzbar sind. Der Aufnahmebereich kann insbesondere kreisringförmig sein, aber auch oval oder elliptisch geformt sein.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Baubehälter eine Behälteraußenwand und eine die Behälteraussparung umschließende Behälterinnenwand auf, wobei die Behälterinnenwand insbesondere gekrümmte und/oder gerade Wandabschnitte aufweist, und vorzugsweise als ein Hohlzylinder ausgeführt ist. Ringförmige Bauteile werden beispielsweise in einem ringförmigen Baubehälter mit einer zylinderförmigen (inneren bzw. zentralen) Behälteraussparung aufgenommen. Die Behälterinnenwand definiert insbesondere die inneren Konturen des Baufelds. Die Behälteraussparung (bzw. der Baubehälter) kann einen rechteckigen, quadratischen, elliptischen, ovalen, kreisförmigen, oder einen ähnlichen Querschnitt haben. Die Behälterinnenwand hat vorzugsweise eine (im Vergleich zur radialen Abmessung des Baufelds) geringe Wandstärke und ist insbesondere an die Form der Behälteraußenwand des Baubehälters angepasst, den sie (nach innen) begrenzt.
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Insbesondere hat das Baufeld einen Innendurchmesser von mindestens 0,2m, vorzugsweise von mindestens 0,3m, weiter vorzugsweise zwischen 0,3m und 1,4m, wobei eine radiale Abmessung des Baufelds insbesondere mindestens 0,02m, vorzugsweise mindestens 0,05m, weiter vorzugsweise maximal 0,7m, beträgt. Die radiale Abmessung kann als ein Abstand zwischen der Behälterinnenwand und der Behälteraußenwand verstanden werden. Die Behälteraussparung kann zum Beispiel einen Durchmesser bzw. eine Diagonallänge von mindestens 0,2m, vorzugsweise von mindestens 0,3m, weiter vorzugsweise zwischen 0,3m und 1,4m haben. Die erfindungsgemäße Herstellvorrichtung findet insbesondere Anwendung für große Bauteile, welche in einem Baubehälter der genannten Abmessungen herstellbar sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zentrale Strömungsführung auswechselbar, wobei an einer Prozesskammerwand insbesondere mindestens eine Halterung für die zentrale Strömungsführung vorgesehen ist. Die Halterung kann formschlüssig, wie über eine Rast-, Klemm- oder eine Bajonettverschluss-Verbindung, oder über eine Schraubverbindung mit der Prozesskammerwand und/oder der zentralen Strömungsführung verbunden sein. Die zentrale Strömungsführung kann insbesondere ein Gehäuse aufweisen, das an der Halterung befestigbar ist. Die Halterung kann mit der Gasabführung und/oder Gaszuführung gasleitend verbunden sein, wobei die Halterung insbesondere mindestens eine erste Anschlussöffnung zur Verbindung mit der Gasabführung und/oder der Gaszuführung und mindestens eine zweite Anschlussöffnung (Adapteranschluss) zur Verbindung mit der Anschlussöffnung der zentralen Strömungsführung aufweist. Die Halterung kann einen Gasab- und/oder -zuführungsabschnitt (Kanalabschnitt), vorzugsweise einen Rohrleitungs- oder Schlauchabschnitt, umfassen und vorzugsweise eine Dichtung, z.B. einen Dichtungsring, an der zweiten Anschlussöffnung. Durch die Austauschbarkeit der zentralen Strömungsführung kann das Beströmungssystem bzw. die Beströmungsanordnung zur Fertigung eines bestimmten Bauteils, insbesondere an den das Bauteil aufnehmenden Baubehälter abgestimmt werden, beispielsweise für Bauteile unterschiedlicher Innen- und/oder Außendurchmesser. Für verschiedene Außendurchmesser von Bauteilen kann die zentrale Strömungsführung jeweils gleich ausgeführt sein.
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Die genannte Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch ein Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Aufbringen und örtlich selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials innerhalb eines Baufelds mittels einer Vielzahl von Bestrahlungseinheiten, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Zuführen von Gas über eine Gaszuführung in eine Prozesskammer einer Herstellvorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Bauteile, insbesondere einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung;
- b) Beströmen des Baufelds, insbesondere durch ein erfindungsgemäßes Beströmungssystem oder durch eine erfindungsgemäße Beströmungsanordnung, wobei
- - mindestens eine Beströmungsöffnung mindestens einer äußeren Strömungsführung, die außerhalb des Baufelds in einem Baufeld-Außenbereich, der in radialer Richtung nach außen außerhalb des Baufelds angeordnet ist,
und/oder
- - mindestens eine Beströmungsöffnung einer zentralen Strömungsführung, die außerhalb des Baufelds in einem Baufeld-Aussparungsbereich angeordnet ist, der in radialer Richtung nach innen außerhalb des Baufelds angeordnet ist,
über die Gaszuführung mit Gas versorgt wird,
wobei eine in mindestens einer im Wesentlichen radialen Strömungsrichtung über das Baufeld verlaufende Gasströmung zwischen der zentralen Strömungsführung und der äußeren Strömungsführung erzeugt wird, wobei die Gasströmung insbesondere Verunreinigungen vom Baufeld der radialen Strömungsrichtung wegführt; - c) Abführen von Gas aus der Prozesskammer über eine Gasabführung.
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Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hat ähnliche Vorteile, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beströmungssystem, der Beströmungsanordnung und der Herstellvorrichtung beschrieben wurden. Insbesondere können einige oder alle bereits beschriebenen verfahrenstechnischen Merkmale durch das Herstellungsverfahren umgesetzt werden. Das Herstellungsverfahren ist es insbesondere einfach durchführbar und erzielt eine hohe Bauteilqualität.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung in einer perspektivischen Teilschnittansicht;
- 1B die Ausführungsform nach 1A in einer Draufsicht auf den Schnitt Y-Y;
- 2A eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung in einem Längsschnitt;
- 2B die Ausführungsform nach 2A in einer Draufsicht auf den Schnitt X-X;
- 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer radialen Strömung von innen nach außen in einem Halbschnitt;
- 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer radialen Strömung von außen nach innen in einem Halbschnitt;
- 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer radialen Strömung von innen nach außen und einer Gasabführung nach oben in einem Halbschnitt;
- 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer Gaszuführung von oben und einer radialen Strömung von außen nach innen in einem Halbschnitt;
- 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer radialen Strömung von der Mitte des Baufelds radial nach innen und außen in einem Halbschnitt;
- 8 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung mit einer radialen Strömung von außen und innen radial zur Mitte des Baufelds in einem Halbschnitt.
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In der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1A zeigt eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung 1 zur additiven Fertigung von Bauteilen, die als Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet sein kann. Zum Aufbauen eines Bauteils 2 enthält sie eine Prozesskammer 10. Unterhalb der Prozesskammer 10 ist ein nach oben offener Baubehälter 20 mit einer Behälterwand 23 angeordnet, in dem ein Bauteil 2 schichtweise aufgebaut wird. Die Behälterwand 23 umfasst eine hohlzylinderförmige Behälterinnenwand 25 und eine Behälteraußenwand 24, die Behälterinnenwand 25 umgibt. Das im Aufnahmebereich 22 des Baubehälters 20 aufgenommene bzw. entstehende Bauteil 2 ist hier ringförmig. Durch die obere Öffnung des Baubehälters 20 ist ein Baufeld 30 definiert, das für die additive Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils 2 nutzbar ist. In dem Baubehälter 20 ist ein mittels eines Verstellmechanismus 70 in einer vertikalen Richtung B bewegbarer Träger 71 angeordnet, der den Boden des Baubehälters 20 bildet und das Bauteil 2 trägt. Der Beschichter 50 zum Aufbringen des Aufbaumaterials ist oberhalb des Baufelds 30 angeordnet und steuerbar beweglich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Beschichter 50 zur Fertigung eines ringförmigen Bauteils 2 in Umfangsrichtung über das Baufeld 30 bewegbar. Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 71 in eine Höhe abgesenkt, die der Dicke der aufzubringenden Schicht entspricht. Durch Verfahren des Beschichters 50 über das Baufeld 30 wird dann eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht. Das pulverförmige Aufbaumaterial wird zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Bauteils 2 aufgebracht, vorzugsweise über die gesamte Fläche des Baufelds 30. Die Bestrahlungseinheiten 60 umfassen Laser, die Laserstrahlen als Energiestrahlbündel erzeugen, die über eine Optik und ein Einkoppelfenster an der Oberseite der Prozesskammer 10 (nicht dargestellt) auf das Baufeld 30 gelenkt werden. Die Bestrahlungseinheiten 60 sind so steuerbar, dass sie das Baufeld 30 derart bestrahlen, dass schichtweise innerhalb des Baufelds aufgebrachtes Aufbaumaterials örtlich selektiv so verfestigt wird, dass sich die gewünschte Struktur des Bauteils 2 bildet. Indem das Bauteil 2 in vertikaler Richtung B durch oben aufgebrachte und verfestigte Schichten aufgebaut, aber nach jedem Schichtaufbau um die entsprechende Schichtdicke über den Verstellmechanismus 70 abgesenkt wird, bleibt das Baufeld 30 während des Fertigungsprozesses auf festgelegter gleicher Höhe in einer Arbeitsebene.
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Durch das Auftreffen von Laserstrahlen aus den Bestrahlungseinheiten 60 schmilzt das Aufbaumaterial lokal auf, wodurch Verunreinigungen der Prozessatmosphäre, wie z.B. Spratzer, Rauch oder Kondensat, entstehen können. Durch die Beströmung des Baufelds 30 mit Gas (Prozessgas) können einerseits Verunreinigungen vom Baufeld 30 entfernt werden. Andererseits kann eine Oxidation des Aufbaumaterials an der Prozessstelle weitestgehend unterbunden werden. Zum Erzeugen einer bevorzugt laminaren Gasströmung in der Prozesskammer 10 (horizontal) über dem Baufeld 30 umfasst die Herstellvorrichtung 1 eine Gaszuführung 12 und eine Gasabführung 11, die jeweils mit einer äußeren Strömungsführung 41 und einer zentralen Strömungsführung 42 eines erfindungsgemäßen Beströmungssystems 40 bzw. einer erfindungsgemäßen Beströmungsanordnung verbunden sind. Die äußere und zentrale Strömungsführung 41, 42 weisen Beströmungsöffnungen 43, 43a, 43b bzw. 44, 44a, 44b auf, die jeweils als Gasauslass oder Gaseinlass dienen können. Das aus der Prozesskammer 10 über die Gasabführung 11 abgesaugte Gas kann in einer (nicht gezeigten) Filtervorrichtung zugeführt und über die Gaszuführung 12 wieder der Prozesskammer 10 zugeführt werden, wodurch ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf gebildet wird. Die zentrale Strömungsführung 42 ist über die Halterung 13 an der Prozesskammerwand 14, befestigt, hier an der Oberseite der Prozesskammer 10.
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Die äußere Strömungsführung 41 ist im Baufeld-Außenbereich 33 und die zentrale Strömungsführung 42 im Baufeld-Aussparungsbereich 31 angeordnet. Der Baufeld-Außenbereich 33 befindet sich außerhalb des Baufelds 30 in radialer Richtung R nach außen des Baufelds 30 bzw. des deckungsgleich über dem Baufeld 30 liegenden Baufeldbereichs 32. Der ebenfalls außerhalb (in radialer Richtung R nach innen) des Baufelds 30 liegende Baufeld-Aussparungsbereich 31 grenzt sich von dem Baufeldbereich 32 ab, wobei der Baufeld-Aussparungsbereich 31 vom Baufeldbereich 32 umschlossen ist. Die Geometrie des Baufeld-Aussparungsbereichs 31 ist letztlich durch die Geometrie der Behälteraussparung 21 des Baubehälters 20 vorgegeben.
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Durch die Anordnung der zentralen Strömungsführung 42 im Baufeld-Aussparungsbereich 31, wird das Baufeld 30 nicht abgeschattet und kann von den Bestrahlungseinheiten 60 ungehindert bestrahlt werden. Außerdem kann die zentrale Strömungsführung 42 dadurch in sehr geringem vertikalen Abstand zum Baufeld 30, insbesondere in unmittelbarer Nähe, vorzugsweise unmittelbar oberhalb, der Arbeitsebene, positioniert werden. Dadurch wird die Gasströmung möglichst nah über das Baufeld 30 geführt und kann Prozessabgase wirksam abführen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der zentralen Strömungsführung 42 ist, dass eine radiale Gasströmung über das Baufeld 30 erzeugbar ist und dadurch der Strömungsweg der Gasströmung über das Baufeld 30 reduziert wird, insbesondere im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik üblichen Beströmung in einer einheitlichen Richtung von einer Seite des Baufelds zur anderen. Dadurch kann erreicht werden, dass die Strömung auch bei großen Bauteilen 2 laminar bleibt und nicht turbulent wird.
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In dem in 1B dargestellten Querschnitt durch die Herstellvorrichtung 1 auf Höhe der äußeren Strömungsführung 41 und der zentralen Strömungsführung 42 sind die Strömungsleitelemente 45, 46 der äußeren Strömungsführung 41 bzw. der zentralen Strömungsführung 42 sichtbar, wobei das Bauteil 2 nicht dargestellt ist. Die Strömungsleitelemente 46 sind als Radiallamellen ausgeführt, die Gas in radialer Richtung R über das Baufeld 30 leiten. Die Strömungsleitelemente 45 sind ebenfalls in radialer Richtung R ausgerichtet. Die Strömungsleitelemente 45, 46 können dazu ausgebildet sein, eine axiale Strömung in eine radiale Strömung umzulenken, oder umgekehrt. Alternativ können die Strömungsleitelemente 45, 46 eine radiale, laminare Strömung sicherstellen, während die Umlenkung einer axialen in eine radiale Strömung durch die Krümmung von separaten Umlenkelementen der Strömungsführungen 41 bzw. 42 erzeugt wird. Die Beströmungsöffnungen 43, 44 sind über den Umfang der Herstellvorrichtung 1 gleichmäßig verteilt angeordnet und können öffenbar und schließbar sein. Durch Schließen der Beströmungsöffnungen 43, 44 kann ein bestimmtes Radialsegment des Baufelds 30 von der Beströmung (zeitweise) ausgenommen werden, beispielsweise dann, wenn momentan keine Bestrahlung dieses Radialsektors stattfindet. Auf diese Weise kann ein größerer Gasstrom für die verbleibenden Radialsegmente mit geöffneten Beströmungsöffnungen 43, 44 bereitgestellt werden. Beströmungsöffnungen 43, 44 können beispielsweise über steuerbare Klappen oder verstellbare Lamellen geöffnet und geschlossen werden.
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Die Ausführungsform nach 2A funktioniert im Wesentlichen genauso wie die Ausführungsform nach 1A. Der Baufeld-Außenbereich 33, der Baufeldbereich 32 und der Baufeld-Aussparungsbereich 31 sind in 2A durch gestrichelte Linien schematisch gekennzeichnet sind. Auch auf das Baufeld 30 auftreffende Strahlen der Bestrahlungseinheiten 60 sind dargestellt. Das Bauteil 2 ist in dem Baubehälter 20 auf dem Träger 71 in einem Zwischenfertigungszustand dargestellt, in dem eine Vielzahl von aufgebrachten Schichten bereits verfestigt ist und das Bauteil 2 von noch unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial umgeben ist. Das ringförmige Bauteil 2 ist bereits größtenteils fertig und hat beispielhaft einen Z-förmigen Querschnitt. Die vertikale Richtung B ist vertikalnach oben eingezeichnet.
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Die Prozesskammer 10 hat eine Prozesskammerwand 14, an der äußere Strömungsführungen 41 angeordnet sind, die über Anschlussöffnungen 47 mit Gaszuführungen 12 bzw. Gasabführungen 11 gasleitend verbindbar sind. Über eine Anschlussöffnung 48 in einem Deckel der Prozesskammer 10 ist das Gehäuse 49 der zentralen Strömungsführung 42 mit einer Gasabführung 11 bzw. einer Gaszuführung 12 gasleitend verbindbar. Es ist möglich, dem Baufeld Gas über die zentrale Strömungsführung 42 zuzuführen und über die äußere Strömungsführung 41 abzuführen, oder umgekehrt (siehe 3 bis 6). Es ist außerdem möglich, Gas über die zentrale Strömungsführung 42 zu- und abzuführen und/oder Gas über die äußere Strömungsführung 41 zu- und abzuführen (siehe 7 und 8). Dadurch können verschiedene radiale Gasströmungen erzeugt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie oder der jeweiligen Prozessanforderungen. Äußere und zentrale Strömungsführungen 41, 42 sind unbeweglich in Umfangsrichtung U und radialer Richtung R des Baufelds 30 angeordnet, d.h. stationär.
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In 2B ist die radiale Richtung R eingezeichnet, die von innen nach außen, bzw. umgekehrt, verläuft, insbesondere an jeder Stelle senkrecht zu den Konturen des Baufelds 30. Die Konturen des Baufelds 30 sind hier ein innerer und ein äußerer Kreis, die das ringförmige Baufeld 30 begrenzen. Die Umfangsrichtung U verläuft um das Baufeld 30 herum. Das Baufeld 30 besteht aus einem ersten (äußeren) radialen Bereich 30a und einem (inneren) radialen Bereich 30b.
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Die 3 bis 8 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung bzw. Beströmungsanordnung, wobei jeweils Gas in mindestens einer radialen Richtung über das Baufeld 30 strömt. Die jeweiligen Strömungsrichtungen sind durch Pfeile veranschaulicht.
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In den 3 bis 6 sind jeweils Gasströmungen in eine von beiden radialen Strömungsrichtung S1, S2 dargestellt. In den 3 und 5 wird Gas über die zentrale Strömungsführung 42 zugeführt und über die äußere Strömungsführung 41 abgeführt. Dadurch ist die Gasströmung über das Baufeld 30 in radialer Strömungsrichtung S1 nach außen gerichtet. In den 4 und 6 wird Gas über die äußeren Strömungsführungen 41 zugeführt und über die zentrale Strömungsführung 42 abgeführt. Dadurch ist die Gasströmung über das Baufeld 30 in radialer Strömungsrichtung S2 nach innen gerichtet. In den 5 und 6 ist die äußere Strömungsführung 41 zur Umlenkung des Gasstroms von radialer in axialer Richtung, bzw. umgekehrt, ausgebildet. In bevorzugten Ausführungsformen wird Prozessgas durch die zentrale Strömungsführung in 42 eingeblasen und durch die äußeren Strömungsführungen 41 abgesaugt (siehe 3 und 5). Der oberhalb des Baufelds 30 liegende Baufeldbereich 32 grenzt sich von dem Baufeld-Aussparungsbereich 31 und dem Baufeldaußenbereich 33 ab, wie durch gestrichelte Linien dargestellt.
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In den 7 und 8 sind die Strömungsführungen 41, 42 jeweils mit einer Gasabführung 11 und einer Gaszuführung 12 verbunden, wobei die Beströmungsöffnungen 43a, 43b und 44a, 44b in der Höhe übereinander angeordnet sind. Dadurch werden entgegengesetzt zirkulierende Strömungen über dem Baufeld 30 erzeugt. Die Beströmungsöffnungen 43b und 44b sind mit der Gaszuführung 12 und die Beströmungsöffnungen 43a und 44a sind mit der Gasabführung 11 verbunden. In 7 ist in einem ersten (äußeren) radialen Bereich 30a des Baufelds 30 die Gasströmung in eine radiale Strömungsrichtung S1 nach außen gerichtet, während sie in einem zweiten (inneren) radialen Bereich 30b des Baufelds 30 in eine radiale Strömungsrichtung S2 nach innen gerichtet ist. In 8 ist eine Gasströmung umgekehrt in einem ersten (äußeren) radialen Bereich 30a des Baufelds 30 in eine radiale Strömungsrichtung S2 nach innen gerichtet, während sie in einem zweiten (inneren) radialen Bereich 30b des Baufelds 30 in eine radiale Strömungsrichtung S1 nach außen gerichtet ist. Der oberhalb des Baufelds 30 liegende Baufeldbereich 32 grenzt sich von dem Baufeld-Aussparungsbereich 31 und dem Baufeldaußenbereich 33 ab, wie durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Herstellvorrichtung
- 2
- Bauteil
- 10
- Prozesskammer
- 11
- Gasabführung
- 12
- Gaszuführung
- 13
- Halterung
- 14
- Prozesskammerwand
- 20
- Baubehälter
- 21
- Behälteraussparung
- 22
- Aufnahmebereich
- 23
- Baubehälterwand
- 24
- Behälteraußenwand
- 25
- Behälterinnenwand
- 30
- Baufeld
- 30a
- erster radialer Bereich des Baufelds
- 30b
- zweiter radialer Bereich des Baufelds
- 31
- Baufeld-Aussparungsbereich
- 32
- Baufeldbereich
- 33
- Baufeld-Außenbereich
- 40
- Beströmungssystem
- 41
- äußere Strömungsführung
- 42
- zentrale Strömungsführung
- 43, 43a, 43b
- Beströmungsöffnung
- 44, 44a, 44b
- Beströmungsöffnung
- 45
- Strömungsleitelement
- 46
- Strömungsleitelement
- 47
- Anschlussöffnung
- 48
- Anschlussöffnung
- 49
- Gehäuse
- 50
- Beschichter
- 60
- Bestrahlungseinheit
- 70
- Verstellmechanismus
- 71
- Träger
- B
- vertikale Richtung
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
- S1
- radiale Strömungsrichtung nach außen
- S2
- radiale Strömungsrichtung nach innen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2862651 A1 [0006]
- DE 102016209933 A1 [0007]
- DE 102014218639 A1 [0008]
