DE102018215301A1 - Device and method for additively producing a three-dimensional object - Google Patents
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Abstract
Eine Herstellvorrichtung (1) zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13) umfasst eine Beströmungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms (30) in der Herstellvorrichtung (1). Die Beströmungsvorrichtung umfasst ein Strömungsmodifikationselement (32, 40) zum Einleiten des Gasstroms (30) in die Prozesskammer (3). Das Strömungsmodifikationselement (32, 40) umfasst einen Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und eine Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen (44) einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen (44) aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) ist. A manufacturing device (1) for the additive manufacturing of a three-dimensional object (2) by selectively solidifying a building material (13) in layers comprises a flow device for generating a gas stream (30) in the manufacturing device (1). The flow device comprises a flow modification element (32, 40) for introducing the gas stream (30) into the process chamber (3). The flow modification element (32, 40) comprises a body with a gas inlet side (41) and a gas outlet side (42) and a plurality of channels (43) which penetrate the body from the gas inlet side (41) to the gas outlet side (42), and the have an inlet opening (48) on the gas inlet side (41) and an outlet opening (49) on the gas outlet side (42) and are separated from one another by a wall, a channel cross-sectional area (44) of at least one channel (43) being perpendicular to an extension direction of the Channel, preferably the channel cross-sectional areas (44) of a majority of the channels, particularly preferably the channel cross-sectional areas (44) of all channels, in a first longitudinal section (152) of the channel or channels starting from the outlet opening (49) along the extension direction, wherein the first length section (152) is shorter than a total length (L) of the channel or channels between the Entry opening (48) and the outlet opening (49).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, insbesondere auf ein Strömungsmodifikationselement zur Verwendung in einer derartigen Vorrichtung bzw. einem derartigen Verfahren.The present invention relates to a device and a method for additively producing a three-dimensional object by applying layers and selectively solidifying a building material, in particular to a flow modification element for use in such a device and such a method.
Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.Devices and methods of this type are used for example in rapid prototyping, rapid tooling or additive manufacturing. An example of such a process is known under the name “selective laser sintering or laser melting”. A thin layer of a powdery building material is repeatedly applied and the building material in each layer is selectively solidified by selective irradiation with a laser beam from points corresponding to a cross section of the object to be produced.
Durch den Energieeintrag beim selektiven Verfestigen können Verunreinigungen wie Spratzer, Rauche, Schmauche, Dämpfe und/oder Gase entstehen, die sich in der Prozesskammer ausbreiten. Zusätzlich können bei Verwendung eines pulverförmigen Aufbaumaterials Verunreinigungen dadurch entstehen, dass Pulver oder Pulverstaub in der Prozesskammer aufgewirbelt werden. Verunreinigungen können den Fertigungsprozess negativ beeinflussen, beispielsweise indem sie den scannenden Laserstrahl absorbieren, streuen oder ablenken, sich auf einem Einkoppelfenster für den Laserstrahl niederschlagen oder sich auf einer Aufbaumaterialschicht ablagern. Um hohen Qualitäts- und Effizienzanforderungen an den Fertigungsprozess zu genügen, müssen solche Verunreinigungen daher möglichst schnell aus der Prozesskammer abtransportiert werden.The energy input during selective solidification can result in impurities such as sprays, fumes, fumes, vapors and / or gases that spread in the process chamber. In addition, when using a powdery building material, contamination can result from the fact that powder or powder dust is whirled up in the process chamber. Contamination can have a negative impact on the manufacturing process, for example by absorbing, scattering or deflecting the scanning laser beam, settling on a coupling window for the laser beam or being deposited on a layer of building material. In order to meet high quality and efficiency requirements for the manufacturing process, such contaminants must be removed from the process chamber as quickly as possible.
Zum Ableiten von Verunreinigungen aus der Prozesskammer ist aus der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, mit denen insbesondere der baufeldnahe Abtransport von Verunreinigungen verbessert werden kann.The object of the present invention is to provide an alternative or improved device or an alternative or improved method for additively producing a three-dimensional object by applying layers and selectively solidifying a building material, with which in particular the removal of contaminants close to the building field can be improved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 11, ein Strömungsmodifikationselement gemäß Anspruch 12, eine Beströmungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, die Verwendung eines Strömungsmodifikationselements gemäß Anspruch 14 und durch ein Beströmungsverfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können die Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und der Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.This object is achieved by a manufacturing device according to claim 1, a method for additively manufacturing a three-dimensional object according to
Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung dient zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden. Die Herstellvorrichtung umfasst:
- - einen Baubehälter zur Aufnahme des Aufbaumaterials,
- - eine oberhalb des Baubehälters vorgesehene Prozesskammer,
- - ein zwischen dem Baubehälter und der Prozesskammer vorgesehenes Baufeld,
- - eine Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials,
- - eine Beströmungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms in der Herstellvorrichtung, wobei die Beströmungsvorrichtung ein Strömungsmodifikationselement zum Einleiten des Gasstroms in die Prozesskammer umfasst,
- - einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite und
- - eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist.
- - a building container for holding the building material,
- a process chamber provided above the construction container,
- a construction field provided between the construction container and the process chamber,
- a consolidation device for the selective consolidation of the building material,
- a flow device for generating a gas flow in the manufacturing device, the flow device comprising a flow modification element for introducing the gas flow into the process chamber,
- - a body with a gas inlet side and a gas outlet side and
- a plurality of channels which penetrate the body from the gas inlet side to the gas outlet side and which have an inlet opening on the gas inlet side and an outlet opening have on the gas outlet side and are separated from one another by a wall, a channel cross-sectional area of at least one channel perpendicular to an extension direction of the channel, preferably the channel cross-sectional areas of a majority of the channels, particularly preferably the channel cross-sectional areas of all channels, in a first length section of the channel or Channels starting from the outlet opening along the direction of extension reduced / reduced, the first length section being shorter than a total length of the channel or channels between the inlet opening and the outlet opening.
Unter der Prozesskammer wird im Rahmen der Anmeldung ein Hohlraum verstanden, der teilweise durch das Baufeld begrenzt ist und vorzugsweise das Baufeld zum Aufbauen des Objekts umfasst. Vorzugsweise bildet das Baufeld einen Teil eines Bodenbereichs auf einer unteren Seite der Prozesskammer. Die Prozesskammer kann ein mit Ausnahme eines Gaseinlasses, welcher durch das Strömungsmodifikationselement gebildet ist, und eines Gasauslasses und gegebenenfalls weiterer Gaseinlässe und/oder Gasauslässe im Wesentlichen geschlossener Hohlraum sein.In the context of the application, the process chamber is understood to mean a cavity which is partially delimited by the construction field and preferably comprises the construction field for building the object. The construction field preferably forms part of a floor area on a lower side of the process chamber. The process chamber can be a substantially closed cavity with the exception of a gas inlet, which is formed by the flow modification element, and a gas outlet and optionally further gas inlets and / or gas outlets.
Das Strömungsmodifikationselement kann in einer Wandung der Prozesskammer vorgesehen sein, die den Innenraum der Prozesskammer begrenzt und damit den Hohlraum umschließt. Das Strömungsmodifikationselement kann eine Erstreckung senkrecht zur Prozesskammerwandung aufweisen, beispielsweise von der Prozesskammer abgesetzt sein bzw. in die Prozesskammer hineinragen oder zurückversetzt sein. Der Körper des Strömungsmodifikationselements ist vorzugsweise aus einem festen Material gebildet.The flow modification element can be provided in a wall of the process chamber, which delimits the interior of the process chamber and thus surrounds the cavity. The flow modification element can have an extension perpendicular to the process chamber wall, for example be offset from the process chamber or protrude into the process chamber or be set back. The body of the flow modification element is preferably formed from a solid material.
Ein Kanal des Strömungsmodifikationselements bildet einen Gasdurchlass, durch welchen das Gas in die Prozesskammer einströmen kann. Dabei tritt das Gas im Betrieb der Beströmungsvorrichtung in Form von Gaseinlassteilströmen in die Prozesskammer ein, wobei durch jeweils einen Kanal ein Gaseinlassteilström eingeleitet wird. Ein Kanal ist dabei allseitig begrenzt durch Wandungen zwischen Öffnungen an der Gaseintrittsseite und der Gasaustrittsseite, d. h. das Gas verläuft geführt innerhalb der Kanäle. Das Strömungsmodifikationselement ist ansonsten geschlossen, d. h. die Kanäle bilden die einzigen gasdurchlässigen Öffnungen, durch welche Gas in die Prozesskammer einströmen kann. Die Wandungen zwischen benachbarten Kanälen verhindern dabei, dass das Gas von einem Kanal in einen benachbarten Kanal austritt. Somit stellt das Strömungsmodifikationselement einen dreidimensionalen Bereich dar, durch den Gas in die Prozesskammer eingeleitet werden kann, also einen Gaseinlass. Die Kanäle werden auch als Hauptkanäle bezeichnet.A channel of the flow modification element forms a gas passage through which the gas can flow into the process chamber. During operation of the flow device, the gas enters the process chamber in the form of partial gas inlet flows, a partial gas inlet flow being introduced through one channel in each case. A channel is bounded on all sides by walls between openings on the gas inlet side and the gas outlet side, i. H. the gas runs inside the channels. The flow modification element is otherwise closed, i. H. the channels form the only gas-permeable openings through which gas can flow into the process chamber. The walls between adjacent channels prevent the gas from escaping from one channel into an adjacent channel. The flow modification element thus represents a three-dimensional region through which gas can be introduced into the process chamber, that is to say a gas inlet. The channels are also called main channels.
Die Erstreckungsrichtung eines Kanals verläuft durch die Schwerpunkte oder Mittelpunkte der Kanalquerschnittsflächen des Kanals, wobei die Kanalquerschnittsflächen senkrecht zur Erstreckungsrichtung ermittelt werden. Der Schwerpunkt kann z. B. im Fall eines Kreises gleichzeitig der Mittelpunkt der Kanalquerschnittsfläche sein. Die Erstreckungsrichtung kann eine Gerade, eine Kurve oder ein Polygonzug sein, d. h. sie umfasst den Fall eines oder mehrerer gekrümmter oder abgewinkelter Kanäle (d. h. kann auch eine gekrümmte Linie sein), bezeichnet also eine „lokale Richtung“ eines Kanals bzw. der Kanäle. Mit anderen Worten kann die Erstreckungsrichtung in ihrem Verlauf mehrere Raumrichtungen umfassen.The direction of extension of a channel runs through the centers of gravity or center points of the channel cross-sectional areas of the channel, the channel cross-sectional areas being determined perpendicular to the direction of extension. The focus can e.g. B. in the case of a circle at the same time the center of the channel cross-sectional area. The direction of extension can be a straight line, a curve or a polyline, i. H. it includes the case of one or more curved or angled channels (ie can also be a curved line), that is to say denotes a “local direction” of a channel or channels. In other words, the direction of extension can include several spatial directions.
Der Begriff „Kanalquerschnittsfläche“ ist dabei nicht auf die Querschnittsfläche des Kanals an der eintritts- oder austrittsseitigen Öffnung beschränkt. Vielmehr kann sich der Begriff „Kanalquerschnittsfläche“ im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auf eine Querschnittsfläche des Kanals an einer beliebigen Stelle des Kanals beziehen. Beispielsweise kann der Kanal bzw. können die Kanäle in dem ersten Längenabschnitt als Diffusor ausgebildet sein. Aufgrund der Verringerung der Querschnittsfläche ausgehend von der Austrittsöffnung in Richtung der Eintrittsöffnung des Kanals bzw. der Kanäle lässt sich ein derartiger Diffusor auch als Austritts- bzw. Enddiffusor bezeichnen.The term “channel cross-sectional area” is not limited to the cross-sectional area of the channel at the opening on the inlet or outlet side. Rather, the term “channel cross-sectional area” in the context of the present application can refer to a cross-sectional area of the channel at any point on the channel. For example, the channel or channels in the first length section can be designed as a diffuser. Because of the reduction in the cross-sectional area starting from the outlet opening in the direction of the inlet opening of the channel or channels, such a diffuser can also be referred to as an outlet or end diffuser.
Dabei wird die Kanalquerschnittsfläche durch eine Schnittebene durch den jeweiligen Kanal ermittelt, die senkrecht zur jeweiligen Erstreckungsrichtung des Kanals steht.The channel cross-sectional area is determined by a section plane through the respective channel, which is perpendicular to the respective direction of extension of the channel.
Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche meint, dass sich der Flächeninhalt der Querschnittsfläche entlang der Erstreckungsrichtung bzw. Ausdehnungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle verringert. Im Betrieb des Strömungsmodifikationselements, d. h. unter Bezug auf die Richtung des Gasdurchflusses durch den Kanal bzw. die Kanäle, ist der Kanalquerschnitt über den ersten Längenabschnitt jedoch divergent. Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche kann z. B. kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Eine diskontinuierliche Verringerung bzw. Verkleinerung schließt beispielsweise eine abschnittsweise oder lokale Aufweitung bzw. Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche mit ein, während dies bei einer kontinuierlichen Verringerung bzw. Verkleinerung ausgeschlossen ist. Die Verringerung bzw. Verkleinerung kann dabei beispielsweise gestuft ausgebildet sein, d. h. die Kanalwandung umfasst eine Stufe oder mehrere, d. h. zumindest zwei, Stufen, vorzugsweise mindestens fünf, weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens 20 Stufen. Alternativ kann die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche auch ungestuft ausgebildet sein.The reduction or reduction of the cross-sectional area of the channel means that the area of the cross-sectional area decreases along the direction of extension or expansion of the channel or channels. In operation of the flow modification element, ie with reference to the direction of gas flow through the channel or channels, the channel cross section is divergent over the first length section. The reduction or reduction of the channel cross-sectional area can, for. B. be continuous or discontinuous. A discontinuous reduction or reduction includes, for example, a section-wise or local expansion or enlargement of the channel cross-sectional area, while this is excluded in the case of a continuous reduction or reduction. The reduction or reduction can, for example, be stepped, ie the channel wall comprises one or more steps, ie at least two, preferably at least five, more preferably at least ten, even more preferably at least 20 steps. Alternatively, the reduction or reduction in the cross-sectional area of the duct can also be designed without steps.
Ein Maß für eine Verringerung bzw. Aufweitung einer Kanalquerschnittsfläche kann beispielsweise ein Winkel und/oder eine Steigung und/oder eine Krümmung einer Wandung bzw. eines Wandabschnitts der jeweiligen Kanals in Bezug auf die Erstreckungsrichtung des Kanals sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein derartiges Maß für die Verringerung bzw. Aufweitung ein prozentualer oder absoluter Wert der Verringerung bzw. Vergrößerung des Flächeninhalts sein.A measure for a reduction or expansion of a channel cross-sectional area can be, for example, an angle and / or a slope and / or a curvature of a wall or a wall section of the respective channel with respect to the direction of extension of the channel. As an alternative or in addition, such a measure for the reduction or expansion can be a percentage or absolute value of the reduction or enlargement of the area.
Der erste Längenabschnitt ist kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Die Aufweitung des Kanals bzw. der Kanäle in Gasflussrichtung beginnt somit an einer Stelle innerhalb des Kanals, die von der Eintrittsöffnung des Kanals beabstandet ist. Mit anderen Worten ist im Betrieb stromaufwärts des ersten Längenabschnitts des bzw. der Kanäle ein weiterer Längenabschnitt des Kanals (mit einer Länge größer Null) angeordnet. Er kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, um Eigenschaften des Teilgasstroms wie z. B. Geschwindigkeit, Richtung oder Verwirbelungen zu beeinflussen, bevor er im ersten Längenabschnitt eine Aufweitung erfährt.The first length section is shorter than a total length of the channel or channels between the inlet opening and the outlet opening. The widening of the channel or channels in the gas flow direction thus begins at a point within the channel that is spaced from the inlet opening of the channel. In other words, a further length section of the channel (with a length greater than zero) is arranged upstream of the first length section of the channel or channels. It can be designed in any way to improve properties of the partial gas stream such. B. to influence speed, direction or turbulence before it experiences an expansion in the first length section.
Das Strömungsmodifikationselement kann z. B. bewegbar innerhalb der Prozesskammer oder ortsfest innerhalb der Prozesskammer oder ortsfest an der Schnittstelle zwischen der Prozesskammer und einer Gaszuführung angeordnet sein. Beispielsweise kann es am Ende einer Gasleitung angeordnet sein, die durch eine Aussparung in der Wandung der Prozesskammer in den Hohlraum der Prozesskammer mündet.
Das Strömungsmodifikationselement kann dazu ausgebildet sein, eine globale Strömung, d. h. zumindest eine Hauptströmung, über dem Baufeld und angrenzend an das Baufeld zu erzeugen, welche das Baufeld vollständig überdeckt. Alternativ kann es dazu ausgebildet sein, eine lokale Strömung innerhalb der Prozesskammer zu erzeugen, die ebenfalls angrenzend an das Baufeld verläuft, es aber nur teilweise bzw. bereichsweise überdeckt.The flow modification element can e.g. B. movable within the process chamber or stationary within the process chamber or stationary at the interface between the process chamber and a gas supply. For example, it can be arranged at the end of a gas line, which opens into the cavity of the process chamber through a recess in the wall of the process chamber.
The flow modification element can be designed to generate a global flow, ie at least one main flow, over the construction site and adjacent to the construction site, which completely covers the construction site. Alternatively, it can be designed to generate a local flow within the process chamber, which likewise runs adjacent to the construction field, but only partially or partially covers it.
Die Querschnittsverringerung von der Gasaustrittsseite aus, d. h. gegen die Durchströmungsrichtung, bedeutet eine Aufweitung des bzw. der Kanäle in der Durchströmungsrichtung. D. h., der jeweilige Teilgasstrom wird ebenfalls aufgeweitet, bevor er durch die Austrittsöffnung als Freistrahl in die Prozesskammer strömt. Dadurch sinkt die Geschwindigkeit des jeweiligen Teilgasstroms im ersten Längenabschnitt zumindest örtlich gemittelt. Gleichzeitig wird ein größeres Volumen gerichtet durchströmt und durch die Reduzierung nicht gerichtet durchströmter Bereiche eine Turbulenzneigung in diesen „undefinierten“ Bereichen verringert. Die Aufweitung der Mehrzahl der Teilgasströme im ersten Längenabschnitt bewirkt also eine homogenere Gesamtgasströmung in der Prozesskammer.The reduction in cross section from the gas outlet side, i.e. H. against the direction of flow means an expansion of the channel or channels in the direction of flow. In other words, the respective partial gas flow is also expanded before it flows through the outlet opening as a free jet into the process chamber. As a result, the speed of the respective partial gas flow in the first length section drops at least locally averaged. At the same time, a larger volume is flowed through in a directional manner and the tendency to turbulence in these “undefined” areas is reduced by the reduction in areas with no directional flow. The widening of the majority of the partial gas streams in the first length section therefore results in a more homogeneous total gas flow in the process chamber.
Die Querschnittsverengung ist dabei vorzugsweise nicht abrupt bzw. sprunghaft ausgebildet, sondern über eine gewisse Distanz, d. h. die Länge des ersten Längenabschnitts ausgeführt, wodurch Reibungsverluste, welche durch eine Kollision der Gasmoleküle mit den Wänden erzeugt werden, reduziert bzw. vermieden werden können. Dies kann zu einer weiteren Verbesserung, insbesondere Homogenisierung der Strömung, d. h. einer Verringerung von Verwirbelungen, in der Strömung innerhalb der Prozesskammer führen. Die lokal und zeitlich schwankende Geschwindigkeit in einer turbulenten Strömung hingegen kann einen effektiven Abtransport von Verunreinigungen, z. B. über dem Baufeld, verhindern. Eine homogene und möglichst wenig turbulente Strömung ist daher wünschenswert, um einen guten Abtransport von Verunreinigungen aus der Prozesskammer erzielen zu können.
Vorzugsweise umfasst bzw. umfassen mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Strömungsmodifikationselements einen zweiten Längenabschnitt, wobei die Kanalquerschnittsfläche(n) des Kanals bzw. der Kanäle im zweiten Längenabschnitt im Wesentlichen konstant ist/sind und wobei weiter bevorzugt der zweite Längenabschnitt entlang der Erstreckungsrichtung an den ersten Längenabschnitt anschließt.The narrowing of the cross-section is preferably not abrupt or abrupt, but is carried out over a certain distance, ie the length of the first length section, as a result of which friction losses which are generated by a collision of the gas molecules with the walls can be reduced or avoided. This can lead to a further improvement, in particular homogenization of the flow, ie a reduction in eddies in the flow within the process chamber. The locally and temporally fluctuating speed in a turbulent flow, on the other hand, can effectively remove contaminants, e.g. B. above the construction site, prevent. A homogeneous and as little turbulent flow as possible is therefore desirable in order to be able to achieve a good removal of impurities from the process chamber.
At least one channel, preferably a majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element preferably comprise or comprise a second length section, the channel cross-sectional area (s) of the channel or the channels in the second length section being / are essentially constant, and further preferred the second length section adjoins the first length section along the direction of extension.
Der zweite Längenabschnitt ist, ebenso wie der erste Längenabschnitt, kürzer als eine Gesamtlängenerstreckung bzw. Gesamtlänge des Kanals zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Der erste und der zweite Längenabschnitt überschneiden einander vorzugsweise nicht, sind also voneinander separiert. Der erste Längenabschnitt grenzt an ein Ende des Kanals auf der Gasaustrittsseite an und der zweite Längenabschnitt grenzt vorzugsweise an ein Ende des ersten Längenabschnitts an, welches der Gasaustrittsöffnung abgewandt ist. Der Kanal kann vollständig aus dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt gebildet sein oder einen weiteren, beispielsweise weiter unten näher spezifizierten dritten Längenabschnitt umfassen.The second length section, like the first length section, is shorter than an overall length or total length of the channel between the inlet opening and the outlet opening. The first and the second length section preferably do not overlap one another, that is to say are separated from one another. The first length section adjoins an end of the channel on the gas outlet side and the second length section preferably adjoins an end of the first length section which faces away from the gas outlet opening. The channel can be formed entirely from the first and the second length section or can comprise a further third length section, for example specified further below.
Der zumindest eine Kanal bzw. die Kanäle umfassen somit vorzugsweise zumindest einen ersten divergenten Abschnitt, d. h. einen Abschnitt, der eine Querschnittsverengung gegen die Flussrichtung des Teilgasstroms bzw. eine Querschnittserweiterung in der Flussrichtung des Teilgasstroms aufweist, und einen zweiten Abschnitt mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt.The at least one channel or channels thus preferably comprise at least a first divergent section, i. H. a section which has a cross-sectional constriction against the flow direction of the partial gas flow or a cross-sectional widening in the flow direction of the partial gas flow, and a second section with an essentially constant cross-section.
Der Begriff „im Wesentlichen“ impliziert dabei, dass geringfügige, beispielsweise produktionsbedingt, geringfügige Abweichungen der Kanalquerschnittsfläche über den zweiten Längenabschnitt hinweg mitumfasst sind. The term “essentially” implies that slight, for example production-related, slight deviations in the cross-sectional area of the duct are also included over the second length section.
Der zweite Längenabschnitt ist also in Gasflussrichtung, d. h. stromaufwärts, vor dem ersten Längenabschnitt angeordnet. Er liegt also der Gaseintrittsseite bzw. Gaseintrittsöffnung des Kanals näher als der erste Längenabschnitt und grenzt nicht an die Gasaustrittsöffnung an. Er kann, muss aber nicht zwingend an die Gaseintrittsöffnung angrenzen. Vorzugsweise ist die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts identisch mit der minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts. Damit ist ein Übergang zwischen den beiden Längenabschnitten möglichst glattflächig, d. h. glatt, bzw. ohne Stufen und Sprünge ausgebildet. Der zweite Längenabschnitt bietet den Vorteil einer Verringerung von Turbulenzen, insbesondere Reduzierung der Ausdehnung von Störströmungen innerhalb des Teilgasstroms, die quer oder schräg zur Gasflussrichtung durch den Kanal, d. h. auch quer zur Erstreckungsrichtung des bzw. der Kanäle gerichtet sind. Ihre maximale Ausdehnung senkrecht zur Erstreckungsrichtung wird auf die entsprechende Ausdehnung des Querschnitts, z. B. auf einen Durchmesser des Kanals bzw. der Kanäle in dem zweiten Längenabschnitt, begrenzt.The second length section is thus in the gas flow direction, i. H. upstream, before the first length section. It is therefore closer to the gas inlet side or gas inlet opening of the channel than the first length section and does not adjoin the gas outlet opening. It can, but does not necessarily have to adjoin the gas inlet opening. The channel cross-sectional area of the second longitudinal section is preferably identical to the minimum channel cross-sectional area of the first longitudinal section. A transition between the two longitudinal sections is thus as smooth as possible, i. H. smooth, or without steps and cracks. The second length section offers the advantage of reducing turbulence, in particular reducing the expansion of interfering flows within the partial gas flow, which are transverse or oblique to the gas flow direction through the channel, ie. H. are also directed transversely to the direction of extension of the channel or channels. Your maximum extent perpendicular to the direction of extension is based on the corresponding extent of the cross section, for. B. limited to a diameter of the channel or channels in the second length section.
Wie oben beschrieben dient die Querschnittsveränderung in dem ersten Längenabschnitt einer Aufweitung der Strömung. Für den Fall, dass die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts identisch mit der minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts ist, ist die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus dem Kanal an der Gasaustrittsseite des Strömungsmodifikationselements in hohem Maß durch die Größe der Kanalquerschnittsfläche des Kanals in dem zweiten Längenabschnitt bestimmt, d. h. dem Bereich des Kanals vor der Querschnittsaufweitung (in Gasdurchflussrichtung im Betrieb des Strömungsmodifikationselements).As described above, the cross-sectional change in the first length section serves to widen the flow. In the event that the channel cross-sectional area of the second longitudinal section is identical to the minimum channel cross-sectional area of the first longitudinal section, the exit velocity of the gas from the channel on the gas outlet side of the flow modification element is largely determined by the size of the channel cross-sectional area of the channel in the second longitudinal section, i.e. . H. the area of the channel before the cross-sectional expansion (in the gas flow direction during operation of the flow modification element).
Vorzugsweise umfasst bzw. umfassen mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Strömungsmodifikationselements einen dritten Längenabschnitt, der an die Eintrittsöffnung des Strömungsmodifikationselements anschließt, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) des Kanals bzw. der Kanäle im dritten Längenabschnitt ausgehend von der Eintrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern.At least one channel, preferably a majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element preferably comprise or comprise a third length section which adjoins the inlet opening of the flow modification element, the channel cross-sectional area (s) of the channel or channels starting in the third length section decreased / decreased from the inlet opening along the direction of extension.
Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche in dem dritten Längenabschnitt kann z. B. kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Eine diskontinuierliche Verringerung bzw. Verkleinerung schließt beispielsweise eine abschnittsweise oder lokale Aufweitung bzw. Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche mit ein, während dies bei einer kontinuierlichen Verringerung bzw. Verkleinerung ausgeschlossen ist. Die Verringerung bzw. Verkleinerung kann dabei beispielsweise gestuft ausgebildet sein, d. h. die Kanalwandung umfasst eine Stufe oder mehrere, d. h. zumindest zwei, Stufen, vorzugsweise mindestens fünf, weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens 20 Stufen. Alternativ kann die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche auch ungestuft sein.The reduction or reduction of the channel cross-sectional area in the third length section can, for. B. be continuous or discontinuous. A discontinuous reduction or reduction includes, for example, a section-wise or local expansion or enlargement of the channel cross-sectional area, while this is excluded in the case of a continuous reduction or reduction. The reduction or downsizing can, for example, be stepped, i. H. the channel wall comprises one step or more, i. H. at least two, preferably at least five, more preferably at least ten, even more preferably at least 20 stages. Alternatively, the reduction or reduction in the cross-sectional area of the duct can also be unstaged.
Die Querschnittsverringerung von der Gaseintrittsseite aus, d. h. in der Durchströmungsrichtung, bedeutet eine Verengung des bzw. der Kanäle in der Durchströmungsrichtung. Der dritte Längenabschnitt bildet somit einen konvergenten Kanalabschnitt und kann als Konfusor oder Düse ausgebildet sein. Dadurch wird der jeweilige Teilgasstrom seiner Flussrichtung nach zunächst im dritten Längenabschnitt „gebündelt“, bevor er im ersten Längenabschnitt wieder aufgeweitet wird. Die Geschwindigkeit des Teilgasstroms steigt im ersten Längenabschnitt an, da hier ein Druck im Gasvolumen in eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gasvolumens umgewandelt wird. Gleichzeitig bewirkt die Querschnittsverengung stromaufwärts eine Druckerhöhung bzw. einen Staudruck in der Zufuhrleitung, der für eine Homogenisierung und/oder Beruhigung des ankommenden Gasstroms stromaufwärts des Strömungsmodifikationselements sorgt. Dort kann sich somit eine Vergleichmäßigung von Strömungseigenschaften einstellen, die eine Qualität der Teilgasströme in den Kanälen des Strömungsmodifikationselements positiv beeinflussen und anschließend auch eine Homogenisierung des durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleiteten Gasstroms begünstigen kann. Beispielsweise kann eine einheitlichere bzw. gleichmäßigere Verteilung von Strömungsrichtungen, Strömungsgeschwindigkeiten, Volumenströmen und/oder Drücken erzielt werden.The reduction in cross section from the gas inlet side, i.e. H. in the direction of flow means a narrowing of the channel or channels in the direction of flow. The third length section thus forms a convergent channel section and can be designed as a confuser or nozzle. As a result, the respective partial gas flow is first “bundled” in its third direction along its flow direction before it is expanded again in the first length. The speed of the partial gas flow increases in the first length section, since here a pressure in the gas volume is converted into an increase in the speed of the gas volume. At the same time, the narrowing of the cross section upstream causes a pressure increase or a dynamic pressure in the feed line, which ensures homogenization and / or calming of the incoming gas stream upstream of the flow modification element. There can thus be an equalization of flow properties, which can have a positive influence on the quality of the partial gas flows in the channels of the flow modification element and can subsequently also favor a homogenization of the gas flow introduced into the process chamber by the flow modification element. For example, a more uniform or more uniform distribution of flow directions, flow velocities, volume flows and / or pressures can be achieved.
In Verbindung mit dem ersten Längenabschnitt kann der Kanal bzw. können die Kanäle beispielsweise als sogenannte „konvergent-divergente Düse“ ausgeprägt sein.In connection with the first length section, the channel or channels can, for example, be shaped as a so-called “convergent-divergent nozzle”.
Vorzugsweise schließt sich der dritte Längenabschnitt entlang der Erstreckungsrichtung an den zweiten Längenabschnitt an. Vorzugsweise entspricht die Kanalquerschnittsfläche im zweiten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle einer minimalen Kanalquerschnittsfläche im ersten Längenabschnitt und/oder im dritten Längenabschnitt. Dies bietet den Vorteil von stufenlosen Übergängen der Wandungen zueinander und sorgt somit für eine Verbesserung der Strömungseigenschaften der durch den jeweiligen Kanal bzw. die jeweiligen Kanäle geführten Gasteilströme.The third length section preferably adjoins the second length section along the direction of extension. The channel cross-sectional area in the second length section of the channel or the channels preferably corresponds to a minimum channel cross-sectional area in the first length section and / or in the third length section. This offers the advantage of stepless transitions between the walls and thus ensures an improvement in the flow properties through the respective channel or the respective channels led partial gas flows.
Insbesondere bevorzugt ist/sind mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Düsenelements nur durch den ersten, zweiten und dritten Längenabschnitt gebildet. Dies bedeutet, dass sich eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle durch eine Summe dieser drei Längenabschnitte ergibt und dass es keine weiteren, nicht näher spezifizierten Segmente des Kanals bzw. der Kanälen gibt. Der dritte Längenabschnitt erstreckt sich demgemäß zwischen der Gaseintrittsöffnung und dem zweiten Längenabschnitt des Strömungsmodifikationselements. Eine derartige Ausgestaltung eines Kanals bzw. der Kanäle bewirkt eine Beschleunigung des Gases im Vergleich mit seiner Geschwindigkeit vor dem Eintritt in das Strömungsmodifikationselement (dritter Längenabschnitt), anschließend eine Verringerung von Turbulenzen des Gasteilstroms (zweiter Längenabschnitt) sowie eine erneute Aufweitung, die jedoch unter einer möglichst gleichmäßigen Absenkung der Geschwindigkeit und möglichst großer Homogenität erfolgt (erster Längenabschnitt). Particularly preferred is / are at least one channel, preferably a majority of the channels, more preferably all channels of the nozzle element formed only by the first, second and third length section. This means that a total length of the channel or channels results from a sum of these three length sections and that there are no further segments of the channel or channels that are not specified in more detail. The third length section accordingly extends between the gas inlet opening and the second length section of the flow modification element. Such a design of a channel or channels causes the gas to accelerate in comparison with its speed before entering the flow modification element (third length section), then a reduction in turbulence of the partial gas flow (second length section) and a renewed expansion, which, however, takes place under a The speed is reduced as evenly as possible and the greatest possible homogeneity takes place (first length section).
Der Effekt dieser Kaskade von Mitteln der Strömungsbildung liegt also in einer kontrollierten Beschleunigung des herangeführten Prozessgasvolumens und in der Ausprägung einer Strömung in der Prozesskammer bzw. oberhalb des Baufelds, die dem Ideal einer laminaren Strömung möglichst nahe kommt.The effect of this cascade of means of flow formation therefore lies in a controlled acceleration of the process gas volume brought in and in the development of a flow in the process chamber or above the construction field, which comes as close as possible to the ideal of a laminar flow.
Die Gestalt der Kanäle, insbesondere die Querschnittsflächenverringerung in dem dritten Längenabschnitt und/oder die Aufweitung der Kanäle in dem ersten Längenabschnitt kann beispielsweise vorab mittels einer Computersimulation so berechnet werden, dass die gewünschten Strömungseigenschaften (insbesondere eine Druckdifferenz zwischen Gaseintrittsseite und Gasaustrittsseite und/oder ein Gegendruck auf der Gaseintrittsseite und/oder eine Austrittsgeschwindigkeit der Gasströmung aus dem Strömungsmodifikationselement) erzielbar sind, wenn ein Gas durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleitet wird.The shape of the channels, in particular the reduction in cross-sectional area in the third length section and / or the widening of the channels in the first length section, can be calculated in advance, for example, by means of a computer simulation in such a way that the desired flow properties (in particular a pressure difference between the gas inlet side and the gas outlet side and / or a counterpressure on the gas inlet side and / or an outlet velocity of the gas flow from the flow modification element) can be achieved if a gas is introduced into the process chamber through the flow modification element.
Vorzugsweise weist die Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals, vorzugsweise einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements, in zumindest einem der Längenabschnitten, vorzugsweise in den drei Längenabschnitten zumindest eine einfach achsensymmetrische, vorzugsweise punktsymmetrische Geometrie auf.The channel cross-sectional area preferably has at least one channel, preferably a majority of the channels, particularly preferably all channels of the flow modification element, in at least one of the length sections, preferably in the three length sections, at least one simply axisymmetric, preferably point-symmetrical geometry.
Eine einfach achsensymmetrische Kanalquerschnittsfläche kann beispielsweise dreieckig sein. Beispiele für punktsymmetrische Kanalquerschnittsflächen sind ein Oval, ein Kreis, ein regelmäßiges Sechseck oder ein Rechteck.A simply axially symmetrical channel cross-sectional area can be triangular, for example. Examples of point-symmetrical channel cross-sectional areas are an oval, a circle, a regular hexagon or a rectangle.
Alternativ oder zusätzlich weist/weisen bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements eine gleiche geometrische Form auf. Wenn Kanalquerschnittsflächen verschiedener Kanäle eine gleiche geometrische Form aufweisen, so bedeutet dies nicht zwangsweise, dass sie auch gleich groß sind, d. h. den gleichen Flächeninhalt aufweisen.Alternatively or additionally, the channel cross-sectional areas of a majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element, preferably have the same geometric shape. If channel cross-sectional areas of different channels have the same geometric shape, this does not necessarily mean that they are also of the same size, i. H. have the same area.
Kanäle mit symmetrischen Kanalquerschnittsflächen haben beispielsweise den Vorteil gegenüber unregelmäßig geformten Kanälen, dass eine Verjüngung bzw. Verringerung der Kanalquerschnittsfläche über einen Längenabschnitt konstruktiv und herstellungstechnisch einfach umzusetzen ist.Channels with symmetrical channel cross-sectional areas have the advantage over irregularly shaped channels, for example, that tapering or reducing the channel cross-sectional area over a length section is easy to implement in terms of construction and manufacturing technology.
Vorzugsweise verringert bzw. verringern sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt gemäß einer monoton, weiter bevorzugt streng monoton, fallenden Funktion und/oder gemäß einer glatten Funktion, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt besonders bevorzugt gemäß einer linearen Funktion verringert bzw. verringern.The channel cross-sectional area (s) in the first length section preferably decreases or decrease according to a monotonous, more preferably strictly monotonous, falling function and / or according to a smooth function, the channel cross-section area (s) in the first length section particularly preferably decreasing according to a linear function or reduce.
Alternativ oder zusätzlich verringert bzw. verringern sich vorzugsweise die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt gemäß einer monoton, weiter bevorzugt streng monoton, fallenden Funktion und/oder gemäß einer glatten Funktion. Besonders bevorzugt verringert bzw. verringern sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt gemäß einer linearen Funktion. Ein Beispiel für eine derartige Verringerung der Kanalquerschnittsfläche ist ein konischer Konfusor.Alternatively or additionally, the channel cross-sectional area (s) in the third length section preferably decrease or decrease according to a monotonous, more preferably strictly monotonous, falling function and / or according to a smooth function. The channel cross-sectional area (s) in the third length section is particularly preferably reduced or decreased according to a linear function. An example of such a reduction in the channel cross-sectional area is a conical confuser.
Unter einer Verringerung der Kanalquerschnittsfläche „gemäß einer glatten Funktion“ ist zu verstehen, dass die gesamte Wandungsfläche knickfrei, d. h. insbesondere auch stufenlos ausgebildet ist. Beispielsweise weisen die Wände des Kanals bzw. der Kanäle insbesondere keine Unstetigkeiten wie z. B. Stufen auf. Ein Beispiel für eine derartige Verringerung der Kanalquerschnittsfläche ist ein Übergangsdiffusor. Im Unterschied zu einem Stufendiffusor sorgt er für einen geringeren Druckverlust und infolge geringerer Turbulenzbildung für eine höhere Homogenität der Strömung. Die Verringerung der Kanalquerschnittsfläche gemäß einer linearen Funktion bedeutet, dass die Neigung der gesamten Wandungsfläche oder eines Längsstreifens, d. h. Ausschnitts, der Wandung des bzw. der Kanäle über den gesamten ersten bzw. dritten Längenabschnitt den gleichen Winkel relativ zu der Erstreckungsrichtung des bzw. der Kanäle aufweist.A reduction in the cross-sectional area of the duct “in accordance with a smooth function” is to be understood to mean that the entire wall area is free of kinks, ie. H. in particular is also designed to be stepless. For example, the walls of the channel or channels in particular have no discontinuities such as e.g. B. levels. An example of such a reduction in the cross-sectional area of the duct is a transition diffuser. In contrast to a step diffuser, it ensures a lower pressure drop and, due to less turbulence, a higher homogeneity of the flow. The reduction of the duct cross-sectional area according to a linear function means that the inclination of the entire wall surface or a longitudinal strip, i.e. H. Detail, the wall of the channel or channels over the entire first or third length section has the same angle relative to the direction of extension of the channel or channels.
Durch eine derartige kontinuierliche Querschnittsverringerung kann beispielsweise die Homogenität der Strömung weiter verbessert werden, beispielsweise können Turbulenzen verringert werden. Such a continuous reduction in cross-section can, for example, further improve the homogeneity of the flow; for example, turbulence can be reduced.
Die Kanalquerschnittsfläche(n) kann bzw. können sich im ersten Längenabschnitt entlang einer einzigen Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern. Alternativ kann bzw. können sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Richtungen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern.The channel cross-sectional area (s) can decrease in the first length section along a single direction transverse, preferably perpendicular, to the direction of extension. Alternatively, the channel cross-sectional area (s) can decrease in the first length section along at least two different directions transversely, preferably perpendicularly, to the direction of extension.
Die Kanalquerschnittsfläche(n) kann bzw. können sich im dritten Längenabschnitt entlang einer einzigen Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern. Alternativ kann bzw. können sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Richtungen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern.The channel cross-sectional area (s) can decrease in the third length section along a single direction transverse, preferably perpendicular, to the direction of extension. Alternatively, the channel cross-sectional area (s) can decrease in the third length section along at least two different directions transversely, preferably perpendicularly, to the direction of extension.
Mit der Verringerung der Kanalquerschnittsfläche entlang einer einzigen Richtung ist eine zweidimensionale Verengung des Kanals bzw. der Kanäle gemeint. Beispielsweise kann die Höhe des Kanals bzw. der Kanäle konstant sein, während sich ein Abstand der Seitenwände über den entsprechenden Längenabschnitt hinweg verringert, Ebenso kann z. B. der Abstand der Seitenwände konstant sein und die Höhe des Kanals abnehmen. Analog ist mit einer Verringerung der Querschnittsfläche in zwei voneinander verschiedenen Richtungen eine zweidimensionale Verengung des Kanals bzw. der Kanäle gemeint.The reduction of the channel cross-sectional area along a single direction means a two-dimensional narrowing of the channel or channels. For example, the height of the channel or channels can be constant, while a distance between the side walls decreases over the corresponding length section. B. the distance between the side walls be constant and decrease the height of the channel. Analogously, a reduction in the cross-sectional area in two different directions means a two-dimensional narrowing of the channel or channels.
Dadurch sind beispielsweise verschiedene Möglichkeiten für die Gestaltung der Kanäle gegeben.This provides various options for the design of the channels, for example.
Vorzugsweise ist die Erstreckungsrichtung gerade, d. h. geradlinig, also nicht gekrümmt, und die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung mindestens eines Kanals, bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements sind jeweils derart angeordnet und/oder orientiert, dass die Erstreckungsrichtung durch ihren jeweiligen Flächenschwerpunkt, d. h sowohl durch den Flächenschwerpunkt der Eintrittsöffnung als auch durch den Flächenschwerpunkt der Austrittsöffnung, verläuft. Weiter bevorzugt verläuft die Erstreckungsrichtung des mindestens einen Kanals, vorzugsweise der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements parallel zum Baufeld, und/oder die Erstreckungsrichtungen der Mehrheit der Kanäle, vorzugsweise aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements verlaufen parallel zueinander.Preferably, the direction of extension is straight, i. H. rectilinear, i.e. not curved, and the inlet opening and the outlet opening of at least one channel, preferably a majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element are each arranged and / or oriented in such a way that the direction of extension is determined by their respective centroid, i.e. h runs through both the center of gravity of the inlet opening and the center of gravity of the outlet opening. More preferably, the direction of extension of the at least one channel, preferably the majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element runs parallel to the construction field, and / or the directions of extension of the majority of channels, preferably all channels of the flow modification element run parallel to one another.
Eine gerade Erstreckungsrichtung der Kanäle bedeutet, dass eine örtlich und zeitlich gemittelte Richtung eines durch die Eintrittsöffnung in die Strömungsmodifikationseinheit einströmenden Gases im Wesentlichen einer örtlich und zeitlich gemittelten Richtung eines durch die Austrittsöffnung aus der Strömungsmodifikationseinheit ausströmenden Gases entspricht, wobei zur Kompensation von prozessbedingten Schwankungen ein ausreichend großer Mittelungszeitraum vorausgesetzt wird.A straight direction of extension of the channels means that a locally and temporally averaged direction of a gas flowing through the inlet opening into the flow modification unit essentially corresponds to a locally and temporally averaged direction of a gas flowing out through the outlet opening from the flow modification unit, a sufficient to compensate for process-related fluctuations large averaging period is assumed.
Durch eine derartige Ausbildung des Strömungsmodifikationselements ist es beispielweise möglich, eine Verjüngung bzw. Verringerung der Kanalquerschnittsfläche über einen Längenabschnitt konstruktiv und herstellungstechnisch einfach umzusetzen. Zudem können die Kanäle des Strömungsmodifikationselement beispielsweise auf einfache Art und Weise in Zeilen und Spalten, d. h. in Form einer Matrix, wie weiter unten beschrieben, angeordnet sein. Insgesamt ist damit beispielweise eine effektive Nutzung des Körpers des Strömungsmodifikationselements möglich.Such a configuration of the flow modification element makes it possible, for example, to implement a tapering or reducing the channel cross-sectional area over a length section in a constructionally and technically simple manner. In addition, the channels of the flow modification element can be arranged in rows and columns, e.g. H. in the form of a matrix, as described below. Overall, for example, an effective use of the body of the flow modification element is possible.
Vorzugsweise umfasst der erste Längenabschnitt mindestens 30%, weiter bevorzugt mindestens 40%, noch weiter bevorzugt mindestens 50% der Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Alternativ oder zusätzlich beträgt ein Neigungswinkel der Wandung des Kanals bzw. der Kanäle relativ zur Erstreckungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle im ersten Längenabschnitt vorzugsweise mindestens 1°, weiter bevorzugt mindestens 2°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder vorzugsweise höchstens 20°, weiter bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5°.The first length section preferably comprises at least 30%, more preferably at least 40%, even more preferably at least 50% of the total length of the at least one channel, preferably the majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element between the inlet opening and the outlet opening. Alternatively or additionally, an angle of inclination of the wall of the channel or channels relative to the direction of extension of the channel or channels in the first length section is preferably at least 1 °, more preferably at least 2 °, particularly preferably at least 3 ° and / or preferably at most 20 °, more preferably at most 10 °, particularly preferably at most 5 °.
Je flacher der Neigungswinkel der Wandung bzw. des sich verjüngenden Teils der Wandung im ersten Längenabschnitt gewählt werden kann, desto besser liegt eine Teilgasströmung an der Wandung an bzw. desto geringer ist das Risiko einer Ablösung der Teilgasströmung von der Wandung und eine damit einhergehende Turbulenzbildung und sowie Verungleichmäßigung der Geschwindigkeit. Dies begünstigt einen turbulenzarmen Strömungsverlauf.The flatter the angle of inclination of the wall or of the tapering part of the wall can be selected in the first length section, the better is a partial gas flow against the wall or the less is the risk of the partial gas flow separating from the wall and the associated turbulence formation and as well as speed unevenness. This favors a low-turbulence flow pattern.
Vorzugsweise beträgt ein Neigungswinkel der Wandung des Kanals bzw. der Kanäle relativ zur Erstreckungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle im dritten Längenabschnitt mindestens 5°, weiter bevorzugt mindestens 10°, besonders bevorzugt mindestens 15° und/oder höchstens 40°, weiter bevorzugt höchstens 30°, besonders bevorzugt höchstens 20°. Je flacher der Neigungswinkel der Wandung bzw. des sich verjüngenden Teils der Wandung im ersten Längenabschnitt gewählt werden kann, desto geringer fällt der durch diesen Abschnitt verursachte Druckverlust durch Reibung infolge des Aufprallens bzw. Umlenkens der Gasmoleküle.An angle of inclination of the wall of the channel or channels relative to the direction of extension of the channel or channels in the third length section is preferably at least 5 °, more preferably at least 10 °, particularly preferably at least 15 ° and / or at most 40 °, further preferably at most 30 °, particularly preferably at most 20 °. The flatter the angle of inclination of the wall or of the tapering part of the wall in the first length section, the lower falls the pressure loss caused by this section due to friction due to the impact or deflection of the gas molecules.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements entlang der Erstreckungsrichtung mindestens 5 cm, weiter bevorzugt mindestens 10 cm, besonders bevorzugt mindestens 15 cm.The total length of the at least one channel, preferably the majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element along the direction of extension is at least 5 cm, more preferably at least 10 cm, particularly preferably at least 15 cm.
Vorzugsweise nimmt der zweite Längenabschnitt mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 20% einer Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ein. Alternativ oder zusätzlich entspricht die Länge des zweiten Längenabschnitts entlang der Erstreckungsrichtung vorzugsweise mindestens dem Dreifachen, weiter bevorzugt mindestens dem Fünffachen, besonders bevorzugt mindestens dem Zehnfachen der längsten Diagonale oder des Durchmessers der Kanalquerschnittsfläche im zweiten Längenabschnitt.The second length section preferably takes up at least 10%, more preferably at least 20% of a total length of the at least one channel, preferably the majority of the channels, more preferably all channels of the flow modification element between the inlet opening and the outlet opening. Alternatively or additionally, the length of the second length section along the direction of extension preferably corresponds to at least three times, more preferably at least five times, particularly preferably at least ten times the longest diagonal or the diameter of the channel cross-sectional area in the second length section.
Eine derartige Gestaltung des zweiten Längenabschnitts sorgt für eine verbesserte Reduzierung von Turbulenzen, insbesondere von Störströmungen quer zur Erstreckungsrichtung des jeweiligen Kanals.Such a design of the second length section ensures an improved reduction of turbulence, in particular of disturbing currents transverse to the direction of extension of the respective channel.
Vorzugsweise umfasst eine minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals, bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt aller Kanäle höchstens 90%, weiter bevorzugt höchstens 60%, besonders bevorzugt höchstens 30% einer maximalen Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der jeweiligen Kanäle. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Gasströmung mit besonders vorteilhaften Strömungseigenschaften zu erzeugen bzw. in die Prozesskammer einzuleiten.A minimum channel cross-sectional area preferably comprises at least one channel, preferably a majority of the channels, particularly preferably all channels at most 90%, further preferably at most 60%, particularly preferably at most 30% of a maximum channel cross-sectional area of the channel or the respective channels. This makes it possible, for example, to generate a gas flow with particularly advantageous flow properties or to introduce it into the process chamber.
Vorzugsweise beträgt eine minimale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle mindestens 10mm2, weiter bevorzugt mindestens 30mm2, noch weiter bevorzugt mindestens 50mm2 und/oder vorzugsweise höchstens 200 mm2, weiter bevorzugt höchstens 150mm2, noch weiter bevorzugt höchstens 100mm2. Alternativ oder zusätzlich beträgt eine maximale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle mindestens 100mm2, weiter bevorzugt mindestens 150mm2, noch weiter bevorzugt mindestens 200mm2 und/oder vorzugsweise höchstens 800 mm2, weiter bevorzugt höchstens 500mm2, noch weiter bevorzugt höchstens 300mm2.Preferably a minimum passage sectional area of the channel or channels at least 10mm 2, more preferably at least 30mm 2, even more preferably at least 50 mm 2 and / or preferably at most 200 mm 2, more preferably at most 150 mm 2, still more preferably not more than 100mm. 2 Alternatively or in addition, a maximum passage cross sectional area of the channel or channels at least 100mm 2, more preferably at least 150mm 2, more preferably still at least 200mm 2, and / or preferably at most 800 mm 2, more preferably at most 500 mm 2, still more preferably not more than 300mm 2 .
Ein Wert für die minimale Kanalquerschnittsfläche kann z. B. in Abhängigkeit einer Reinigbarkeit der Kanäle des Strömungsmodifikationselements gewählt sein.A value for the minimum channel cross-sectional area can e.g. B. can be selected depending on a cleanability of the channels of the flow modification element.
Vorzugsweise ist ein Wert für die minimale und/oder maximale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle im ersten, zweiten und dritten Längenabschnitt des Strömungsmodifikationselements in Abhängigkeit eines vorgegebenen Werts für eine Gasaustrittsgeschwindigkeit gewählt, mit der ein bzw. alle Teilgasströme im Betrieb aus der/den Austrittsöffnung(en) des Strömungsmodifikationselements in die Prozesskammer austritt/austreten, oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Werts für eine Geschwindigkeit, die ein Gesamtgasstrom in einer bestimmten Distanz zu der/den Austrittsöffnung(en) des Strömungsmodifikationselements in die Prozesskammer aufweist, z. B. über dem nächstliegenden Rand des Baufelds. Die Gasaustrittsgeschwindigkeit kann zusätzlich materialabhängig eingestellt werden und z. B. 3 m/s betragen.A value for the minimum and / or maximum channel cross-sectional area of the channel or channels in the first, second and third longitudinal section of the flow modification element is preferably selected as a function of a predetermined value for a gas outlet velocity with which one or all partial gas flows during operation from or Exit opening (s) of the flow modification element exits / exit into the process chamber, or depending on a predetermined value for a speed which has a total gas flow at a certain distance from the outlet opening (s) of the flow modification element into the process chamber, e.g. B. over the nearest edge of the construction site. The gas outlet speed can also be set depending on the material and z. B. 3 m / s.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines ersten Kanals kleiner als die minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines zweiten Kanals, wobei der zumindest eine erste Kanal im eingebauten Zustand des Strömungsmodifikationselements vorzugsweise oberhalb des zumindest einen zweiten Kanals liegt. Dadurch, dass der erste Kanal in einer vertikalen Richtung (senkrecht zum Baufeld) oberhalb, d. h. weiter entfernt von dem Baufeld, liegt, kann eine Staffelung der Austrittsgeschwindigkeiten des Gases aus den Kanälen erzielt werden. Insbesondere kann dadurch bewirkt werden, dass die Austrittsgeschwindigkeit weiter unten, d. h. in Baufeldnähe, geringer ist als weiter oben, was beispielsweise einerseits ein Verblasen des unverfestigten Aufbaumaterials verhindern kann, andererseits einen schnelleren Abtransport von Verunreinigungen aus dem Bereich oberhalb des Baufelds bewirken kann.According to a further preferred embodiment of the invention, the minimum channel cross-sectional area of at least one first channel is smaller than the minimum channel cross-sectional area of at least one second channel, the at least one first channel preferably being above the at least one second channel in the installed state of the flow modification element. The fact that the first channel in a vertical direction (perpendicular to the construction field) above, ie. H. further away from the construction site, staggering of the gas exit speeds from the channels can be achieved. In particular, this can result in the exit speed being further down, i. H. in the vicinity of the construction site is lower than above, which on the one hand can prevent the unsolidified construction material from being blown away and on the other hand can cause contaminants to be removed more quickly from the area above the construction site.
Vorzugsweise entspricht die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts einer minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts und/oder des dritten Längenabschnitts. Damit ist es möglich, einen stetigen, d. h. nicht gestuften Übergang zwischen den Längenabschnitten bereitzustellen, was die Strömungseigenschaften, insbesondere die Homogenität der Teilströme weiter verbessern kann.The channel cross-sectional area of the second longitudinal section preferably corresponds to a minimum channel cross-sectional area of the first longitudinal section and / or the third longitudinal section. This makes it possible to achieve a constant, i.e. H. to provide non-stepped transition between the length sections, which can further improve the flow properties, in particular the homogeneity of the partial flows.
Vorzugsweise entspricht in mindestens einem Kanal, bevorzugt in einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt in allen Kanälen des Strömungsmodifikationselements eine Kanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung im Wesentlichen einer Kanalquerschnittsfläche der Austrittsöffnung. Damit kann z. B. bei parallelen Erstreckungsrichtungen der Kanäle eine enge Staffelung der Kanäle im Strömungsmodifikationselement gewählt werden und eine Fläche der Stege zwischen den Eintrittsöffnungen bzw. Austrittsöffnungen kann vermindert werden. Dies kann beispielsweise eine Reduzierung oder Abschwächung von Richtungsänderungen der Gasströmung insbesondere auf der Gaseintrittsseite und eine Verminderung von Turbulenzen bewirken. Außerdem kann hierdurch beispielsweise ein Druckverlust durch Reibung durch das Strömungsmodifikationselement bzw. eine Druckdifferenz zwischen einem Raum vor dem Strömungsmodifikationselement und in einem Raum nach dem Strömungsmodifikationselement vermindert werden. Insgesamt bewirkt diese bevorzugte Ausgestaltungsform also eine Verbesserung der Strömungseigenschaften.In at least one channel, preferably in a majority of the channels, more preferably in all channels of the flow modification element, a channel cross-sectional area of the inlet opening essentially corresponds to a channel cross-sectional area of the outlet opening. So z. B. with parallel directions of extension of the channels a narrow staggering of the channels in Flow modification element can be selected and an area of the webs between the inlet openings or outlet openings can be reduced. This can, for example, reduce or weaken changes in direction of the gas flow, particularly on the gas inlet side, and reduce turbulence. In addition, this can reduce, for example, a pressure loss due to friction due to the flow modification element or a pressure difference between a space in front of the flow modification element and in a space after the flow modification element. Overall, this preferred embodiment therefore improves the flow properties.
Vorzugsweise beträgt eine Zahl der Kanäle des Strömungsmodifikationselements mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100, besonders bevorzugt mindestens 150 und/oder höchstens 500, vorzugsweise höchstens 300, besonders bevorzugt höchstens 200.A number of the channels of the flow modification element is preferably at least 50, preferably at least 100, particularly preferably at least 150 and / or at most 500, preferably at most 300, particularly preferably at most 200.
Vorzugsweise ist das Strömungsmodifikationselement in einer Aussparung einer Wandung der Prozesskammer angeordnet und ein minimal umgebendes Rechteck um die Austrittsöffnungen erstreckt sich weiter bevorzugt im Wesentlichen ausgehend von einer Ebene des Baufelds, d. h. der Arbeitsebene, nach oben hin erstreckt.The flow modification element is preferably arranged in a cutout in a wall of the process chamber and a minimally surrounding rectangle around the outlet openings extends further preferably essentially starting from a plane of the construction field, i. H. the working level, extends upwards.
Alternativ dazu kann das Strömungsmodifikationselement von der Arbeitsebene, d. h. der Ebene des Baufelds, beabstandet sein. Dies führt zu einer Beabstandung der in die Prozesskammer eingelassenen Teilgasströme, wodurch eine unerwünschte Turbulenzneigung durch eine Interaktion der Teilgasströme mit einem unbewegten oder nicht gerichtet durchströmten Prozessgasvolumen oberhalb der Arbeitsebene steigt. Daher ist es bevorzugt, dass die Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements möglichst nahe, insbesondere unmittelbar angrenzend an die Arbeitsebene bzw. die Ebene des Baufelds vorgesehen sind.Alternatively, the flow modification element can be viewed from the working plane, i. H. the level of the construction site. This leads to a spacing of the partial gas flows let into the process chamber, as a result of which an undesirable tendency to turbulence due to an interaction of the partial gas flows with an unmoved or non-directional flow of process gas volume increases above the working level. It is therefore preferred that the outlet openings of the flow modification element are provided as close as possible, in particular directly adjacent to the working level or the level of the construction field.
Als Synonym für das „minimal umgebende Rechteck“, d. h. ein minimales (gedachtes) Rechteck an der Gasaustrittsseite des Strömungsmodifikationselements, in dem alle Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements liegen, kann eine zweidimensionale bounding box gelten.As a synonym for the "minimal surrounding rectangle", d. H. a two-dimensional bounding box can apply to a minimal (imaginary) rectangle on the gas outlet side of the flow modification element, in which all outlet openings of the flow modification element lie.
Die Austrittsöffnungen können beispielsweise in einer Ebene der Wandung der Prozesskammer angeordnet sein. Das Strömungsmodifikationselement kann an einem Endstück einer Gaszufuhrleitung angeordnet bzw. in das Endstück eingepasst sein, wozu das Endstück einen entsprechend dimensionierten Innenquerschnitt aufweisen kann. Die Eintrittsöffnungen sind entsprechend von der Prozesskammer beabstandet und der Gaszufuhrleitung zugewandt, aus der im Betrieb Prozessgas durch sie strömt.The outlet openings can be arranged, for example, in one plane of the wall of the process chamber. The flow modification element can be arranged on an end piece of a gas supply line or can be fitted into the end piece, for which purpose the end piece can have a correspondingly dimensioned inner cross section. The inlet openings are correspondingly spaced from the process chamber and face the gas supply line from which process gas flows through them during operation.
Vorzugsweise erstrecken sich die Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements bis in eine Höhe von mindestens 4 cm, weiter bevorzugt mindestens 6 cm, noch weiter bevorzugt mindestens 8 cm und/oder höchstens 30 cm, weiter bevorzugt höchstens 20 cm, noch weiter bevorzugt höchstens 15 cm über der Ebene des Baufelds. Somit ist das Strömungsmodifikationselement beispielsweise in einem baufeldnahen, d. h. unteren Höhenbereich der Prozesskammer angeordnet, so dass ein durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleiteter Gasstrom die Prozesskammer im Wesentlichen in dem unteren, d. h. baufeldnahen Höhenbereich durchströmen kann, was zu einem effizienten Abtransport von Verunreinigungen direkt an deren Entstehungsort führen kann.The outlet openings of the flow modification element preferably extend to a height of at least 4 cm, more preferably at least 6 cm, even more preferably at least 8 cm and / or at most 30 cm, more preferably at most 20 cm, even more preferably at most 15 cm above the plane of the construction site. The flow modification element is thus, for example, in a construction site-near, ie. H. arranged lower height region of the process chamber, so that a gas flow introduced into the process chamber by the flow modification element essentially moves the process chamber in the lower, ie. H. can flow through the height range close to the construction site, which can lead to an efficient removal of contaminants directly to their point of origin.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung weiter einen Gasauslass zum Ausleiten von Prozessgas aus der Prozesskammer, wobei der Gasauslass vorzugsweise auf einer dem Strömungsmodifikationselement gegenüber liegenden Seite der Prozesskammer ebenfalls baufeldnah angeordnet ist. Damit kann ein Gasstrom innerhalb der Prozesskammer zwischen dem Gaseinlass in die Prozesskammer (unter Durchströmung des Strömungsmodifikationselements) und dem Gasauslass aus der Prozesskammer erzeugt werden, der an eine Bodenfläche der Prozesskammer bzw. an das Baufeld angrenzt und lokal auf einen unteren Bereich einer Höhenerstreckung der Prozesskammer begrenzt ist. Somit kann eine verbesserte Abfuhr von Verunreinigungen, die im Zuge des Verfestigungsprozesses entstehen, zumindest aus einem Bereich der Prozesskammer oberhalb des Baufelds erzielt werden.The manufacturing device preferably further comprises a gas outlet for discharging process gas from the process chamber, the gas outlet preferably also being arranged on a side of the process chamber that is opposite the flow modification element. A gas flow can thus be generated within the process chamber between the gas inlet into the process chamber (with flow through the flow modification element) and the gas outlet from the process chamber, which adjoins a bottom surface of the process chamber or the construction field and locally on a lower region of a vertical extension of the process chamber is limited. Improved removal of contaminants that arise in the course of the solidification process can thus be achieved at least from a region of the process chamber above the construction site.
Vorzugsweise sind die Kanäle des Strömungsmodifikationselements in Form einer dreidimensionalen Matrix angeordnet und zum Erzeugen einer Hauptströmung über dem Baufeld ausgebildet. Weiter bevorzugt umfasst die Matrix mindestens zwei, noch weiter bevorzugt mindestens drei, noch weiter bevorzugt mindestens fünf Zeilen und/oder mindestens fünf, noch weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens zwanzig Spalten.The channels of the flow modification element are preferably arranged in the form of a three-dimensional matrix and designed to generate a main flow over the construction field. More preferably, the matrix comprises at least two, even more preferably at least three, even more preferably at least five rows and / or at least five, even more preferably at least ten, even more preferably at least twenty columns.
Als eine Matrix wird eine regelmäßige gerasterte Anordnung der Kanäle verstanden. Die Zeilen sind vorzugsweise parallel zum Baufeld und in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Spalten sind vorzugsweise senkrecht zum Baufeld und in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Damit ist beispielsweise eine Ausrichtung an der Arbeitsebene bzw. der Ebene des Baufelds möglich. Dies kann zu einer Vergleichmäßigung der Strömungseigenschaften oberhalb des Baufelds bzw. in einem das Baufeld umgebenden Bereich führen.A regular grid arrangement of the channels is understood as a matrix. The lines are preferably arranged parallel to the construction site and at the same distance from each other. The columns are preferably arranged perpendicular to the construction field and at the same distance from one another. This enables, for example, alignment with the working level or the level of the construction site. This can even out the Flow properties above the construction site or in an area surrounding the construction site.
Vorzugsweise nimmt die aufsummierte Fläche der Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements, die den Kanälen der Matrix angehören, einen Anteil einer Fläche eines „minimal umgebenden Rechtecks“ ein, welches das Feld der Austrittsöffnungen fugenlos umrahmt, der mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 90% beträgt. Diese Ausgestaltungsform bietet den Vorteil schmaler Stege zwischen den Austrittsöffnungen und somit kleiner Zwischenräume zwischen den Teilgasströmen. Je kleiner die Zwischenräume zwischen den Teilgasströmen ausfallen, die aus den einzelnen Austrittsöffnungen in die Prozesskammer strömen, desto geringer ist die Turbulenzbildung und desto höher die Laminarität der Hauptströmung.The total area of the outlet openings of the flow modification element, which belong to the channels of the matrix, preferably takes up a portion of an area of a “minimally surrounding rectangle” which seamlessly frames the field of the outlet openings, which is at least 70%, preferably at least 80%, particularly preferably at least Is 90%. This embodiment offers the advantage of narrow webs between the outlet openings and thus small gaps between the partial gas flows. The smaller the gaps between the partial gas flows that flow from the individual outlet openings into the process chamber, the less turbulence and the higher the laminarity of the main flow.
Vorzugsweise entspricht eine maximale horizontale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements mindestens einer Erstreckung einer nächstliegenden Seite im Falle eines rechteckigen Baufelds oder mindestens einem Durchmesser im Falle eines kreisförmigen Baufelds, weiter bevorzugt mindestens 110%, noch weiter bevorzugt mindestens 120% der Seitenlänge oder des Durchmessers. Alternativ oder zusätzlich entspricht vorzugsweise eine maximale vertikale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements höchstens einer Hälfte, weiter bevorzugt höchstens einem Drittel, noch weiter bevorzugt höchstens einem Viertel, noch weiter bevorzugt höchstens einem Fünftel der maximalen Innenhöhe der Prozesskammer.Preferably, a maximum horizontal extension of the matrix of channels of the flow modification element corresponds to at least one extension of a closest side in the case of a rectangular construction field or at least one diameter in the case of a circular construction field, more preferably at least 110%, even more preferably at least 120% of the side length or the diameter . Alternatively or additionally, a maximum vertical extension of the matrix of channels of the flow modification element preferably corresponds to at most one half, more preferably at most one third, still more preferably at most one quarter, still more preferably at most one fifth of the maximum inner height of the process chamber.
Die maximale vertikale Erstreckung der Matrix entspricht vorzugsweise einem baufeldnahen Höhenbereich der Prozesskammer, d. h. einem unteren Bereich eines maximalen Abstands des Baufelds von einer Prozesskammerdecke. Unter einem „maximalen Abstand“ ist der Abstand des Baufelds von einem höchsten Punkt des Innenraums bzw. Hohlraums der Prozesskammer, d. h. eine maximale lichte Höhe der Prozesskammer zu verstehen, z. B. innerhalb eines an das Baufeld angrenzenden Bereichs der Prozesskammer (also des Hohlraums) mit einer Höhenerstreckung von 10% oder 15% des maximalen Abstands.The maximum vertical extent of the matrix preferably corresponds to a height range of the process chamber close to the construction field, i. H. a lower area of a maximum distance of the construction field from a process chamber ceiling. A “maximum distance” is the distance of the construction field from a highest point of the interior or cavity of the process chamber, i. H. to understand a maximum clear height of the process chamber, e.g. B. within an area of the process chamber (ie the cavity) adjacent to the construction site with a height extension of 10% or 15% of the maximum distance.
Die maximale horizontale bzw. vertikale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements kann z. B. anhand eines minimal umgebenden Rechtecks, d. h. einer zweidimensionalen bounding box, um die Austrittsöffnungen der Kanäle auf der Gasaustrittsseite ermittelt werden.The maximum horizontal or vertical extension of the matrix of channels of the flow modification element can, for. B. using a minimally surrounding rectangle, d. H. a two-dimensional bounding box to determine the outlet openings of the channels on the gas outlet side.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Strömungsmodifikationselements bzw. Abmessung der Matrix kann beispielsweise erzielt werden, dass ein großer horizontaler Bereich des Baufelds bzw. der Prozesskammer, insbesondere die gesamte Fläche des Baufelds, zuverlässig überströmt bzw. durchströmt wird. Dies begünstigt einen effektiven Abtransport von Verunreinigungen in Baufeldnähe, d. h. nahe ihres Entstehungsortes, sodass sich die Verunreinigungen nicht oder lediglich in geringem Umfang weiter in die Prozesskammer hinein ausbreiten können. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Präzision des lokalen Energieeintrags bei der selektiven Verfestigung zu erhöhen und dadurch die Qualität des herzustellenden Objekts zu verbessern.Such a configuration of the flow modification element or dimension of the matrix can, for example, ensure that a large horizontal area of the construction field or the process chamber, in particular the entire surface of the construction field, is reliably overflowed or flowed through. This favors the effective removal of contaminants near the construction site, i.e. H. close to their place of origin, so that the impurities cannot spread or can only spread to a small extent further into the process chamber. It is thus possible, for example, to increase the precision of the local energy input during the selective consolidation and thereby to improve the quality of the object to be produced.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement zumindest auf einer horizontal benachbarten Seite der Kanäle zumindest einen Leitkanal, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leitkanälen zum Erzeugen einer Leitströmung über einem Boden der Prozesskammer neben dem Baufeld, wobei der Leitkanal bzw. die Leitkanäle den Körper des Strömungsmodifikationselements von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen und eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweist/aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind.The flow modification element preferably comprises at least on one horizontally adjacent side of the channels at least one guide channel, preferably a plurality of guide channels for generating a guide flow over a floor of the process chamber next to the construction field, the guide channel or the guide channels the body of the flow modification element from the gas inlet side to the Penetrate gas outlet side and has / have an inlet opening on the gas inlet side and an outlet opening on the gas outlet side and are separated from one another by a wall.
Weiter bevorzugt umfasst bzw. umfassen zumindest ein Leitkanal, bevorzugt eine Mehrheit der Leitkanäle, besonders bevorzugt alle Leitkanäle einen ersten Leitkanal-Längenabschnitt, der an die Gaseintrittsseite anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche sich ausgehend von der Eintrittsöffnung entlang einer Erstreckungsrichtung des Leitkanals verringert. Noch weiter bevorzugt umfasst bzw. umfassen der Leitkanal bzw. die Leitkanäle einen zweiten Leitkanal-Längenabschnitt, der an die Gasaustrittsseite anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche im Wesentlichen konstant ist, wobei besonders bevorzugt der Leitkanal bzw. die Leitkanäle durch den ersten Leitkanal-Längenabschnitt und den zweiten Leitkanal-Längenabschnitt gebildet sind.More preferably, at least one guide channel, preferably a majority of the guide channels, particularly preferably all guide channels comprise a first guide channel length section which adjoins the gas inlet side and whose guide channel cross-sectional area decreases starting from the inlet opening along an extension direction of the guide channel. Even more preferably, the guide channel or guide channels comprise a second guide channel length section which adjoins the gas outlet side and whose guide channel cross-sectional area is essentially constant, with the guide channel or guide channels being particularly preferably through the first guide channel length section and the second Guide channel length section are formed.
Alternativ oder zusätzlich sind die Kanäle des Strömungsmodifikationselements weiter bevorzugt in einer dreidimensionalen Matrix angeordnet und der Leitkanal bzw. die Leitkanäle ist bzw. sind auf einer horizontal benachbarten Seite der dreidimensionalen Matrix von Kanälen angeordnet.Alternatively or additionally, the channels of the flow modification element are further preferably arranged in a three-dimensional matrix and the guide channel or the guide channels is or are arranged on a horizontally adjacent side of the three-dimensional matrix of channels.
Somit können die Leitkanäle insbesondere ohne einen sich in Strömungsrichtung aufweitenden Längenabschnitt (Diffusor) bereitgestellt sein. Der fehlende Diffusor der Leitkanäle sorgt für eine höhere Austrittsgeschwindigkeit der jeweiligen Teilgasströme aus den Leitkanälen. Die damit einhergehende höhere Turbulenzneigung beeinträchtigt in der Regel nicht die Qualität der Hauptströmung, da die Leitströmung nicht über dem Baufeld, sondern seitlich dazu versetzt strömt. Die Leitströmung kann eine Hauptströmung führen und/oder etwaige Störströmungen aus nicht gerichtet beströmten Bereichen der Prozesskammer abschirmen. Auch hierdurch kann eine Homogenität der Hauptströmung verbessert werden. Als Hauptströmung wird dabei eine Strömung verstanden, die im Betrieb aus den Kanälen bzw. Hauptkanälen, also nicht den Leitkanälen, in die Prozesskammer eintritt und die vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte Baufeld überströmt, d. h. das Baufeld global überströmt.The guide channels can thus be provided in particular without a length section (diffuser) widening in the flow direction. The lack of a diffuser in the guide channels ensures a higher exit velocity of the respective partial gas flows from the guide channels. The associated higher tendency to turbulence generally does not affect the quality of the main flow, since the leading flow does not flow over the construction site, but rather offset to the side. The leading flow can be a Lead main flow and / or shield any interfering flows from areas of the process chamber which are not directionally flowed. This can also improve the homogeneity of the main flow. The main flow is understood to be a flow that enters the process chamber from the ducts or main ducts, that is to say not the guide ducts, and which preferably flows essentially over the entire construction field, ie, flows over the construction field globally.
Die Erstreckungsrichtung der Leitkanäle kann parallel zu den Erstreckungsrichtungen der Kanäle der Matrix verlaufen oder abgewinkelt sein, z. B. nicht auf das Baufeld bzw. auf einen Gasauslass, sondern schräg nach außen zur Wandung der Prozesskammer weisen. Mit anderen Worten weist der erste Leitkanal-Längenabschnitt vorzugsweise eine erste Erstreckungsrichtung auf und der zweite Leitkanal-Längenabschnitt weist vorzugsweise eine zweite Erstreckungsrichtung auf, wobei die erste und die zweite Erstreckungsrichtung weiter bevorzugt jeweils gerade sind, und wobei die erste und die zweite Erstreckungsrichtung einen von null verschiedenen Winkel zueinander einschließen. Damit ist es beispielsweise möglich, schräg nach außen, d. h. in einem nach außen gerichteten Winkel zur Hauptströmung, austretenden Leitströmungen in die Prozesskammer einzuleiten.The direction of extension of the guide channels can run parallel to the directions of extension of the channels of the matrix or be angled, e.g. B. not on the construction site or on a gas outlet, but at an angle to the outside of the wall of the process chamber. In other words, the first guide channel length section preferably has a first extension direction and the second guide channel length section preferably has a second extension direction, the first and the second extension direction being further preferably each straight, and the first and the second extension direction being one of Include zero different angles to each other. This makes it possible, for example, obliquely outwards, i.e. H. at an outward angle to the main flow, to discharge leading flow into the process chamber.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement auf beiden horizontal benachbarten Seiten der dreidimensionalen Matrix von Kanälen zumindest einen Leitkanal, vorzugsweise zumindest eine Spalte von Leitkanälen.The flow modification element preferably comprises at least one guide channel, preferably at least one column of guide channels, on both horizontally adjacent sides of the three-dimensional matrix of channels.
Vorzugsweise ist die Leitkanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung zumindest eines Leitkanals, weiter bevorzugt einer Mehrzahl der Leiteinlasskanäle, noch weiter bevorzugt aller Leitkanäle größer als die Kanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung zumindest eines Kanals, vorzugsweise einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle. Damit kann beispielsweise eine Leitströmung erzielt werden, die einen größeren Volumenstrom pro durchströmtem Volumenelement aufweist als die durch die Kanäle eingeleitete Hauptströmung.The guide channel cross-sectional area of the inlet opening of at least one guide channel, more preferably a plurality of the guide inlet channels, even more preferably all guide channels is larger than the channel cross-sectional area of the inlet opening of at least one channel, preferably a majority of the channels, further preferably all channels. In this way, for example, a guide flow can be achieved which has a larger volume flow per volume element flowed through than the main flow introduced through the channels.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement weiter zumindest ein Leitelement mit zumindest einer Leitfläche zur zumindest abschnittsweisen Führung einer Gasströmung in der Prozesskammer, wobei das zumindest eine Leitelement ein erstes Ende aufweist, welches an dem Strömungsmodifikationselement auf dessen Gasaustrittsseite vorgesehen ist, vorzugsweise wobei das erste Ende des Leitelements spaltfrei an dem Strömungsmodifikationselement vorgesehen ist. Das erste Ende hat vorzugsweise eine vertikale Abmessung, die zumindest einer vertikalen Gesamterstreckung der Austrittsöffnungen der Kanäle und/oder der Leitkanäle entspricht. Weiter umfasst das Leitelement vorzugsweise ein zweites Ende, welches um eine Distanz von den Austrittsöffnungen der Kanäle und/oder der Leitkanäle beabstandet ist, beispielsweise um mindestens 1cm, vorzugsweise um mindestens 5 cm, besonders bevorzugt um mindestens 10 cm. Vorzugsweise umfasst das Leitelement eine Leitfläche, die einer im Betrieb der Beströmungsvorrichtung aus den Kanälen in die Prozesskammer ausströmenden Hauptströmung zugewandt ist und/oder eine Leitfläche, die einem im Betrieb der Beströmungsvorrichtung aus den Leitkanälen ausströmenden Leitströmung zugewandt ist. Vorzugsweise ist eine Richtung, in der sich die zumindest eine Leitfläche erstreckt, an eine Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts angepasst, wobei die Richtung, in der sich die zumindest eine Leitfläche erstreckt, weiter bevorzugt um einen Winkel von kleiner als 20°, noch weiter bevorzugt kleiner 10°, noch weiter bevorzugt kleiner 5° von der Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts abweicht, besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts ist.The flow modification element preferably further comprises at least one guide element with at least one guide surface for guiding a gas flow in the process chamber at least in sections, the at least one guide element having a first end which is provided on the flow modification element on its gas outlet side, preferably with the first end of the guide element being gap-free is provided on the flow modification element. The first end preferably has a vertical dimension which corresponds to at least one vertical total extent of the outlet openings of the channels and / or the guide channels. Furthermore, the guide element preferably comprises a second end, which is spaced a distance from the outlet openings of the channels and / or the guide channels, for example by at least 1 cm, preferably by at least 5 cm, particularly preferably by at least 10 cm. The guide element preferably comprises a guide surface which faces a main flow flowing out of the channels into the process chamber during operation of the flow device and / or a guide surface which faces a guide flow flowing out of the guide channels during operation of the flow device. A direction in which the at least one guide surface extends is preferably matched to an extension direction of the second guide channel length section, the direction in which the at least one guide surface extends, more preferably by an angle of less than 20 °, even further preferably deviates less than 10 °, still more preferably less than 5 ° from the extension direction of the second guide channel length section, particularly preferably is essentially parallel to the extension direction of the second guide channel length section.
Mit einem derartigen Leitelement ist es beispielsweise möglich, eine durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleitete Strömung, insbesondere die oben erwähnte Hauptströmung oder Leitströmung, zu Führen und/oder abzuschirmen, was beispielsweise zu einer Verbesserung der Strömungseigenschaften der Strömung führen kann, insbesondere zu einer besseren Homogenisierung der Strömung.With such a guide element, it is possible, for example, to guide and / or shield a flow introduced into the process chamber by the flow modification element, in particular the above-mentioned main flow or guide flow, which can lead, for example, to an improvement in the flow properties of the flow, in particular a better one Homogenization of the flow.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitelemente an dem Strömungsmodifikationselement vorgesehen, wobei ein erstes der Leitelemente an einem ersten Ende des Strömungsmodifikationselements vorgesehen ist und ein zweites der Leitelemente an einem zweiten Ende des Strömungsmodifikationselements vorgesehen ist, wobei das erste und das zweite Ende des Strömungsmodifikationselements in eine horizontale Richtung, d. h. parallel zu dem Baufeld wenn das Strömungsmodifikationselement in der Prozesskammerwandung angebracht ist, voneinander beabstandet sind.At least two guide elements are preferably provided on the flow modification element, a first of the guide elements being provided on a first end of the flow modification element and a second of the guide elements being provided on a second end of the flow modification element, the first and the second end of the flow modification element being in a horizontal direction , d. H. parallel to the construction field when the flow modification element is mounted in the process chamber wall, are spaced apart from one another.
Damit ist es beispielsweise möglich, für jeden der zwei oben beschriebenen in die Prozesskammer eingeleiteten Leitströmungen ein Leitelement bereitzustellen, was zu einer Verbesserung der Strömungseigenschaften der Leitströmungen führen kann.This makes it possible, for example, to provide a guide element for each of the two guide flows introduced into the process chamber described above, which can lead to an improvement in the flow properties of the guide flows.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts umfasst folgende Schritte:
- - Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht,
- - selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere durch Zuführen von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mittels einer Verfestigungsvorrichtung mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, und
- - Wiederholen des schichtweisen Aufbringens und selektiven Verfestigens , bis das Objekt fertiggestellt ist,
wobei das Aufbaumaterial in einem Baubehälter vorgesehen ist, oberhalb des Baubehälters eine Prozesskammer vorgesehen ist, und zwischen dem Baubehälter und der Prozesskammer ein Baufeld vorgesehen ist. Bei dem Verfahren wird zumindest zeitweise während der Herstellung des dreidimensionalen Objekts mittels einer Beströmungsvorrichtung ein Gasstrom in der Herstellvorrichtung erzeugt, wobei die Beströmungsvorrichtung ein Strömungsmodifikationselement zum Einleiten des Gasstroms in die Prozesskammer umfasst. Das Strömungsmodifikationselement umfasst:
- - einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite und
- - eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist.
- - Applying a building material layer by layer,
- - selective solidification of the building material, in particular by supplying radiation energy, at locations in each layer which are assigned to the cross section of the object in this layer, by scanning the locations by means of a consolidation device with at least one exposure region, in particular an exposure region of an energy beam, and
- - repeating the layer-by-layer application and selective consolidation until the object is finished,
wherein the building material is provided in a building container, a process chamber is provided above the building container, and a building field is provided between the building container and the process chamber. In the method, a gas flow is generated in the manufacturing device at least temporarily during the production of the three-dimensional object by means of a flow device, the flow device comprising a flow modification element for introducing the gas flow into the process chamber. The flow modification element includes:
- - a body with a gas inlet side and a gas outlet side and
- a plurality of channels which penetrate the body from the gas inlet side to the gas outlet side and which have an inlet opening on the gas inlet side and an outlet opening on the gas outlet side and are separated from one another by a wall, a channel cross-sectional area of at least one channel being perpendicular to an extension direction of the channel, preferably the channel cross-sectional areas of a majority of the channels, particularly preferably the channel cross-sectional areas of all channels, in a first length section of the channel or channels starting from the outlet opening along the extension direction, the first length section being shorter than a total length of the channel or the channel is between the inlet opening and the outlet opening.
Damit ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf die Herstellvorrichtung genannten Vorteile auch in einem additiven Herstellverfahren zu erzielen.It is thus possible, for example, to achieve the advantages mentioned above in relation to the manufacturing device in an additive manufacturing process.
Ein erfindungsgemäßes Strömungsmodifikationselement dient zum Einleiten eines Gasstroms in eine Prozesskammer einer Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere in eine Prozesskammer einer oben beschriebenen Herstellvorrichtung. Das Strömungsmodifikationselement weist einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite auf und eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist.A flow modification element according to the invention is used to introduce a gas stream into a process chamber of a device for additively producing a three-dimensional object, in particular into a process chamber of a manufacturing device described above. The flow modification element has a body with a gas inlet side and a gas outlet side and a plurality of channels which penetrate the body from the gas inlet side to the gas outlet side and which have an inlet opening on the gas inlet side and an outlet opening on the gas outlet side and are separated from one another by a wall , wherein a channel cross-sectional area of at least one channel perpendicular to an extension direction of the channel, preferably the channel cross-sectional areas of a majority of the channels, particularly preferably the channel cross-sectional areas of all channels, decreases / decreases in a first length section of the channel or channels starting from the outlet opening along the direction of extension , wherein the first length section is shorter than a total length of the channel or channels between the inlet opening and the outlet opening.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement Mittel zum vorzugsweise lösbaren Befestigen des Strömungsmodifikationselements an der Herstellvorrichtung bzw. an deren Prozesskammer, z. B. eine Verschraubung, Klemmung, magnetische Befestigung, o.ä. Damit ist es beispielsweise möglich, ein derartiges Strömungsmodifikationselement als einen Aus- und/oder Nachrüstsatz bereitzustellen, mit der insbesondere eine Herstellvorrichtung auf einfache Art und Weise aus- oder nachgerüstet werden kann. Somit ist das Strömungsmodifikationselement vorzugsweise aus der Prozesskammerwandung lösbar und/oder wechselbar ausgebildet.The flow modification element preferably comprises means for preferably releasably attaching the flow modification element to the manufacturing device or to its process chamber, e.g. B. a screw connection, clamping, magnetic fastening, etc. It is thus possible, for example, to provide such a flow modification element as an equipment and / or retrofit kit with which, in particular, a manufacturing device can be easily upgraded or retrofitted. The flow modification element is thus preferably designed to be detachable and / or exchangeable from the process chamber wall.
Eine erfindungsgemäße Beströmungsvorrichtung dient für eine Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial und umfasst das oben beschriebene Strömungsmodifikationselement. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Beströmungsvorrichtung zum Aus- oder Nachrüsten einer Herstellvorrichtung bereitzustellen.A flow device according to the invention is used for a production device for the additive production of a three-dimensional object by solidifying construction material in layers and comprises the flow modification element described above. This makes it possible, for example, to provide a flow device for equipping or retrofitting a manufacturing device.
Eine erfindungsgemäße Verwendung eines Strömungsmodifikationselements dient zum Einleiten eines Gasstroms in einer Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere in einer oben beschriebenen Herstellvorrichtung, wobei das Strömungsmodifikationselement einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite aufweist und eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf die Herstellvorrichtung beschriebenen Wirkungen auch bei der Verwendung eines Strömungsmodifikationselements zu erzielen.An inventive use of a flow modification element is used to introduce a gas flow in a manufacturing device for additively manufacturing a three-dimensional object, in particular in a manufacturing device described above, wherein the flow modification element has a body with a gas inlet side and a gas outlet side and a plurality of channels that separate the body from the Penetrate gas inlet side to the gas outlet side, and which have an inlet opening on the gas inlet side and an outlet opening on the gas outlet side and are separated from one another by a wall, a channel cross-sectional area of at least one channel being perpendicular to an extension direction of the channel, preferably that Channel cross-sectional areas of a majority of the channels, particularly preferably the channel cross-sectional areas of all channels, in a first length section of the channel or channels starting from the outlet opening along the extension direction, the first length section being shorter than a total length of the channel or channels between the Entry opening and the exit opening is. It is thus possible, for example, to achieve the effects described above in relation to the manufacturing device even when using a flow modification element.
Ein erfindungsgemäßes Beströmungsverfahren dient zum Erzeugen eines Gasstroms in einer Prozesskammer einer Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung, wobei das Beströmungsverfahren zumindest einen Schritt des Erzeugens eines Gasstroms mittels einer Gaszufuhreinrichtung umfasst, sowie einen Schritt des Einleitens des Gasstroms in die Prozesskammer durch ein oben beschriebenes Strömungsmodifikationselement.A flow method according to the invention is used to generate a gas flow in a process chamber of a manufacturing device for additively manufacturing a three-dimensional object, in particular a manufacturing device according to the invention described above, the flow method comprising at least one step of generating a gas stream by means of a gas supply device and a step of introducing the gas stream into the process chamber through a flow modification element described above.
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 additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, -
2 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Strömungsmodifikationselements gemäß einer ersten Ausführungsform zur Verwendung in der in1 gezeigten Herstellvorrichtung, -
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Kanals des in2 gezeigten Strömungsmodifikationselements, -
4 ist eine schematische Schnittansicht des in2 gezeigten Strömungsmodifikationselements gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene und -
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der in4 gezeigten Schnittansicht des Strömungsmodifikationselements.
-
1 FIG. 2 is a schematic view, partially in section, of a device for additively producing a three-dimensional object according to an embodiment of the present invention, FIG. -
2nd FIG. 12 is a schematic perspective view, partly in section, of a flow modification element according to a first embodiment for use in FIG1 manufacturing device shown, -
3rd is a schematic sectional view of a channel of the in2nd flow modification element shown, -
4th is a schematic sectional view of the in2nd Flow modification element shown according to a second embodiment in a plane parallel to the xy plane and -
5 is an enlarged view of a portion of the in4th shown sectional view of the flow modification element.
Im Folgenden werden mit Bezug auf
Unterhalb der Prozesskammer
Durch die obere Öffnung des Behälters
In
Die Lasersintervorrichtung
Optional kann in der Prozesskammer
Die Lasersintervorrichtung
Weiter enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung
Das Gaseinleitelement
Dabei müssen das Gaseinleitelement
Als Gas wird vorzugsweise ein Schutzgas verwendet, das mit dem Aufbaumaterial im Wesentlichen keine chemische Reaktion eingeht (Inertgas), je nach verwendetem Aufbaumaterial beispielsweise Stickstoff oder Argon.A protective gas is preferably used as the gas, which does not undergo any chemical reaction with the building material (inert gas), depending on the building material used, for example nitrogen or argon.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung
Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Anstelle von Pulver können auch andere geeignete Materialien als Aufbaumaterial verwendet werden. Vorzugsweise ist das Aufbaumaterial ein Metallpulver. Bei der Verwendung eines Metallpulvers als Aufbaumaterial ist das Auftreten von Verunreinigungen wie z. B. Spratzer, Rauche, Schmauche, Dämpfe und/oder Gase besonders groß, so dass durch die Erfindung besonders gute Verbesserungen des Herstellungsprozesses bzw. der Qualität und/oder Maßhaltigkeit des herzustellenden Objekts erzielbar sind.Various types of powder can be used as the building material, in particular metal powder, plastic powder, ceramic powder, sand, filled or mixed powder. Instead of powder, other suitable materials can also be used as the building material. The building material is preferably a metal powder. When using a metal powder as a building material, the occurrence of contaminants such. B. spatter, smoke, smoke, vapors and / or gases are particularly large, so that particularly good improvements in the manufacturing process or the quality and / or dimensional accuracy of the object to be produced can be achieved by the invention.
Das Strömungsmodifikationselement
Seitlich, d. h. quer zur Durchströmungsrichtung des Gases durch das Strömungsmodifikationselement von der Gaseintrittsseite
Senkrecht zur Länge L der Kanäle
Die Achsen eines kartesisches Koordinatensystem sind dadurch folgendermaßen definiert:
- - die x-Achse ist parallel zur Längsrichtung der Kanäle
43 , - - die y-Achse ist parallel zur Breite B des Strömungsmodifikationselements und
- - die z-Achse ist parallel zur Höhe des Strömungsmodifikationselements.
- - The x-axis is parallel to the longitudinal direction of the
channels 43 , - - The y-axis is parallel to the width B of the flow modification element and
- - The z-axis is parallel to the height of the flow modification element.
Die Kanäle
Im Betrieb der Gasfördervorrichtung (s. u.) wird durch die Kanäle
Die Kanäle
Wie aus
Senkrecht zur Längsrichtung weist der Kanal
Der minimale Durchmesser dmin kann beispielsweise 5 mm (d. h. bei einer quadratischen Kanalquerschnittsfläche eine minimale Kanalquerschnittsfläche von 25 mm2) sein und der maximale Durchmesser dmax, welcher an der Gaseintrittsseite
Die Verringerung des Durchmessers d in dem dritten Längenabschnitt
Wie oben erwähnt kann es sich bei dem Durchmesser
Die Leitkanäle
Vorzugsweise umfassen die Leitkanäle
Die Leitkanäle
Vorzugsweise ist die Leitkanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung
Dadurch, dass die zweiten Leitkanallängenabschnitte
Weiter umfasst das in
Das erste Leitelement
Die Leitflächen
Die Leitelemente
Im Betrieb der oben beschriebenen Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts
Während des schichtweisen Aufbauens des Objekts
Der durch die Matrix von Kanälen
Das Strömungsmodifikationselement
Für die Hauptströmung gilt dabei Folgendes: Durch die oben in Bezug auf
Die Leitströmung ist dabei eine Strömung, die seitlich der Hauptströmung in der Prozesskammer erzeugt wird, insbesondere über einem Bodenbereich der Prozesskammer außerhalb des Baufelds bzw. neben dem Baufeld. Die Leitströmung dient somit einer Abschirmung und/oder dem Führen der Hauptströmung, wodurch beispielsweise die Strömungseigenschaften der Hauptströmung verbessert werden können. Vorzugsweise flankieren die Leitströmungen die Hauptströmung zumindest abschnittsweise.The leading flow is a flow that is generated to the side of the main flow in the process chamber, in particular over a bottom region of the process chamber outside the construction field or next to the construction field. The guide flow thus serves to shield and / or guide the main flow, as a result of which the flow properties of the main flow can be improved, for example. The guide flows preferably flank the main flow at least in sections.
Die Leitströmung(en) tritt bzw. treten dabei in dem Winkel
Die Leitelemente
Die in
Des Weiteren sind die in
Insbesondere können Kanäle bereitgestellt sein, die sich in der Größe ihrer Kanalquerschnittsflächen
Auch kann die Länge des ersten, zweiten und/oder dritten Längenabschnitts eines ersten Kanals oder Leitkanals von der Länge des jeweiligen Längenabschnitts eines zweiten Kanals oder Leitkanals abweichen. Vorzugsweise ist die Gesamtlänge L des Kanals bzw. Leitkanals jedoch für alle Kanäle und Leitkanäle des Strömungsmodifikationselements gleich. Des Weiteren können die Kanäle
In der oben mit Bezug auf
Das oben beschriebene Strömungsmodifikationselement
Die Prozesskammer
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 generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden.Even if the present invention has been described with the aid of a laser sintering or laser melting device, it is not restricted to laser sintering or laser melting. It can be applied to any method for the generative production of a three-dimensional object by applying layers and selectively solidifying a building material.
Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung 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. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden.The imagesetter can comprise, for example, one or more gas or solid-state lasers or any other type of laser such as laser diodes, in particular VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), or a row of these lasers. In general, any device can be used as an imagesetter with which energy as wave or particle radiation can be selectively applied to a layer of the building material. Instead of a laser, for example, another light source, an electron beam or any other energy or radiation source can be used which is suitable for solidifying the building material. Instead of deflecting a beam, exposure with a movable line exposer can also be used. Also on the selective mask sintering, in which an extended light source and a mask are used, or on the high-speed sintering (HSS), in which a material is selectively applied to the build material, which the Radiation absorption increased at the corresponding points (absorption sintering) or reduced (inhibition sintering) and then exposed non-selectively over a large area or with a movable line exposer, the invention can be applied.
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 generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.Instead of introducing energy, the applied building material can also be selectively solidified by 3D printing, for example by applying an adhesive. In general, the invention relates to the additive manufacturing of an object by means of layer-wise application and selective solidification of a building material, regardless of the manner in which the building material is solidified.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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