DE102020129416B4

DE102020129416B4 - Absaugvorrichtung zum Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer einer Vorrichtung sowie Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten

Info

Publication number: DE102020129416B4
Application number: DE102020129416.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Schaede
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2040-11-10
Also published as: WO2022096670A1; DE102020129416A1

Abstract

Absaugeinrichtung zum Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer (16) einer Vorrichtung (11) zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahles,- mit einem Absaugrohr (85), welches an einem oder beiden stirnseitigen Enden eine Auslassöffnung (86) aufweist, an welchem eine Absaugleitung (95) anschließbar ist,- mit einer sich in Längsrichtung des Absaugrohres (85) erstreckenden Einsaugöffnung (42), welche schlitzförmig ausgebildet ist,- wobei eine Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) sich entlang einer Länge des Absaugrohres (85) ändert und eine der Auslassöffnung (86) zugeordnete Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) kleiner als die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) an einem zur Auslassöffnung (85) entfernten Bereich des Absaugrohres (85) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Absaugvorrichtung zum Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer einer Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahls zur Verfestigung des Aufbaumaterials. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Herstellung von solchen dreidimensionalen Objekten.
Aus der EP 3 147 047 A1 ist des Weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist vorgesehen, dass über eine gemeinsame Gasversorgungsquelle ein erster Prozessgasstrom über eine rechte Wand der Prozesskammer zugeführt, oberhalb der Aufbauplattform entlanggeführt und über eine Auslassöffnung an der linken Prozesskammerwand abgeführt wird. Die Prozessgasversorgungsquelle führt einen zweiten Prozessgasstrom eines oberhalb der Aufbauplattform angeordneten Strömungskopfs zu, der eine Vielzahl von Auslassöffnungen aufweist, durch welche der zweite Gasstrom in Richtung Aufbauplattform zugeführt wird. Dieser über den Strömungskopf in die Prozesskammer eingeführte Prozessgasstrom wird gemeinsam mit dem ersten Prozessgasstrom über die gemeinsame Öffnung an der linken Wand der Prozesskammer abgesaugt.
Aus der WO 2019/086479 A1 ist des Weiteren eine Absaugung bei einer generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen durch Verfestigen eines Aufbaumaterials mittels eines Laserstrahls bekannt. Über eine Vorderseite einer Prozesskammerwand wird Prozessgas in die Prozesskammer eingeströmt, welche entlang der Aufbauplattform zu einer gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer geführt wird. Zur Absaugung des entlang der Aufbauplattform geführten Prozessgases ist eine Absaugeinrichtung vorgesehen, welche eine schlitzförmige Einlassöffnung aufweist, die in ein Saugrohr übergeht. Die Einlassöffnung weist eine rechteckförmige Form mit einem Querschnitt auf. An beiden Enden des Absaugrohres sind Anschlussleitungen vorgesehen, um das Prozessgas aus dem Absaugrohr abzusaugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absaugvorrichtung zum Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer einer Vorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials vorzuschlagen, durch welches eine erhöhte Absaugwirkung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Absaugeinrichtung zum Absaugen von einem Prozessgas aus einer Prozesskammer einer Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahls gelöst, bei welchem ein Absaugrohr vorgesehen ist, welches an einem oder beiden stirnseitigen Enden eine Auslassöffnung aufweist, an welcher eine Absaugleitung anschließbar ist und welches eine sich in Längsrichtung des Absaugrohres erstreckende Einsaugöffnung aufweist, welche schlitzförmig ausgebildet ist, wobei sich eine Schlitzhöhe der Einsaugöffnung entlang einer Längsachse des Absaugrohres ändert und eine der Auslassöffnung zugeordnete Schlitzhöhe der Einsaugöffnung kleiner als die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung an einem zur Auslassöffnung (85) entfernten Bereich des Ansaugrohres ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung der Absaugvorrichtung kann durch die Änderung der Schlitzhöhe entlang der Längsachse des Absaugrohres eine homogene Absauglinie erzielt werden. Um eine erhöhte Absaugwirkung zu erzielen, muss das Energieniveau des lokal einströmenden Massenstromes über die Einlassöffnung mit dem an dieser Stelle geltenden Totaldruckniveau des Dralls übereinstimmen. Dies wird durch die sich ändernde Schlitzhöhe ermöglicht. Dadurch wird eine homogene Absauglinie über die gesamte Länge des Absaugrohres erzielt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einsaugöffnung außerhalb der Längsachse des Absaugrohres und insbesondere tangential zum Absaugrohr ausgerichtet in das Absaugrohr mündet. Dadurch kann die Drallentwicklung begünstigt werden, um eine optimierte Absaugung zu ermöglichen.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Einsaugöffnung als ein Einsaugtrichter ausgebildet ist und vorzugsweise der von außen zur Einsaugöffnung führende Einsaugtrichter eine parabelförmige Einlaufkontur aufweist. Dadurch kann eine staudruckoptimierte Anströmung des abzusaugenden Prozessgases erzielt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass eine zur Einsaugöffnung führende Seite des Einsaugtrichters durch einen Rohrabschnitt oder Wandabschnitt des Absaugrohres und dessen gegenüberliegende Seite des Einsaugtrichters durch einen Wandabschnitt am Fuß eines Ansaugrohres ausgebildet ist. Dadurch kann ein konstruktiv einfacher Aufbau gewählt werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der am Absaugrohr angeordnete Fuß eine oberhalb der Aufbauplattform in der Prozesskammer geführte Strömungskante aufweist, von der aus sich der Wandabschnitt zur Eintrittsöffnung erstreckt. Dies ermöglicht, dass auch eine unmittelbar oberhalb der Aufbauplattform entlang geführte Primärgasströmung über diese Strömungskante und die sich daran anschließende geradlinige oder parabelförmige Einlaufkontur durch die Absaugeinrichtung aufgenommen und abgeführt werden kann.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Absaugeinrichtung ist vorgesehen, dass das Absaugrohr an einem stirnseitigen Ende die Auslassöffnung und an dem gegenüberliegenden Ende einen Verschluss aufweist und geschlossen ist. Durch eine solche Absaugeinrichtung ist eine einseitige Absaugung eines Prozessgases aus der Prozesskammer möglich. Bei einer solchen Ausführungsform erstreckt sich die Einsaugöffnung beginnend von der Auslassöffnung mit der kleinsten Schlitzhöhe zum gegenüberliegenden geschlossenen Ende und weist dort die größte Schlitzhöhe der Einsaugöffnung auf.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Absaugrohr an beiden stirnseitigen Enden jeweils eine Auslassöffnung aufweist. Bei einer solchen Ausführungsform ist vorgesehen, dass jeweils an der Auslassöffnung eine geringe Schlitzhöhe der Einlassöffnung vorgesehen ist, welche zum mittleren Bereich des Absaugrohres zunimmt. Dabei kann vorgesehen sein, dass die größte Schlitzhöhe der Längsmittelachse des Absaugrohres ausgebildet ist, so dass die Eintrittsöffnung spiegelsymmetrisch verläuft. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die größte Schlitzhöhe der Einsaugöffnung seitlich benachbart zur Längsmittelachse vorgesehen sein kann.
Vorteilhafterweise weist das Absaugrohr zur Auslassöffnung weisend eine geringere Schlitzhöhe der Einlassöffnung als am absaugfernen Bereich des Absaugrohres oder am absaugfernen geschlossenen Ende des Absaugrohres auf. Dies weist den Vorteil auf, dass auch eine längere Ausgestaltung der Absaugvorrichtung ermöglicht ist, so dass diese sich über beispielsweise eine Breite der Prozesskammer erstrecken kann und dennoch eine Homogenität und Kontrollierbarkeit von einer Prozessgas- bzw. Prozessgasabsaugung ermöglicht.
Bevorzugt ist das Absaugrohr der Absaugeinrichtung als ein Zyklonrohr ausgebildet.
Die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung weitet sich gemäß einer ersten Ausführungsform über die Länge des Absaugrohres konstant bzw. linear auf. Alternativ kann vorgesehen sein, dass eine segmentierte Aufweitung der Schlitzhöhe entlang der Länge des Absaugrohres vorgesehen ist. Alternativ kann auch ausgehend von der geringsten Schlitzhöhe der Einsaugöffnung eine polynominale Vergrößerung ausgebildet sein.
Das Verhältnis zwischen der Schlitzhöhe h der Einlassöffnung und einem Durchmesser D des Absaugrohres ist bevorzugt unabhängig von der Absaugleistung und/oder Absauggeschwindigkeit konstant. Insbesondere kann hierfür ein Faktor h/D in einem Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere 0,05, vorgesehen sein.
Bevorzugt folgt die Zunahme der Schlitzhöhe entlang der Länge der Einsaugöffnung einer Funktion, bei der die Länge der Einsaugöffnung mit einem Faktor in einem Bereich von 0,001 bis 0,015 insbesondere einem Faktor von 0,009 multipliziert wird. Zudem wird die Schlitzhöhe am Beginn der Einsaugöffnung hinzugezählt. Dadurch kann eine Homogenität der Absauglinie, insbesondere eine gleichmäßige Verteilung des Massenstromes und der Geschwindigkeit des Prozessgases in dem Absaugrohr erzielt werden.
Bevorzugt ist das der Auslassöffnung gegenüberliegende Ende des Absaugrohres geschlossen. Dadurch ist eine einseitige Absaugung ausgebildet, welche eine vereinfachte Abführung des abgesaugten Prozessgases ermöglicht.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass an die zumindest eine Auslassöffnung des Absaugrohres ein Axialabscheider anschließbar ist, welcher über eine Absaugleitung das eingesaugte Prozessgas aus dem Absaugrohr abführt. Der Axialabscheider separiert dabei Partikelaus dem durch das Absaugrohr eingesaugten Prozessgas. Diese Absaugleitung kann mit einer Pumpe, insbesondere Niederdruckpumpe, verbunden sein, um den Ansaugdruck im Absaugrohr zu erzeugen.
Des Weiteren ist bevorzugt in dem Axialabscheider ein Fallschacht zum Separieren der Partikel vom Prozessgasstrom vorgesehen. Vorzugsweise weist der Axialabscheider einen konischen Separator im Strömungskanal auf, sodass die Partikel vom abgesaugten Prozessgasstrom separierbar sind. Aufgrund des im Absaugrohr erzeugten Dralls wirkt auf die Partikel eine Zentrifugalkraft, sodass die nach außen driftenden Partikel vom Prozessgasstrom durch den konischen Separator abgeschieden werden können. Anschließend werden die Partikel in einem Fallschacht abgeschieden. Dies weist den Vorteil auf, dass entgegen eines klassischen Zyklonabscheiders die Hauptströmung nicht um 180° umgelenkt werden muss. Dadurch sind geringe Druckverluste und somit eine höhere Performance des Gesamtsystems gegeben. Aufgrund des bereits durch das Zyklonrohr erzeugten Dralls ist keine vorlaufende, aufwendig zu fertigende Leitschaufelreihe notwendig, welche eine Drallströmung normalerweise absichtlich erzeugen muss.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des Weiteren durch eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials gelöst, welche eine Prozessunterstützungsvorrichtung mit einem Mittenmodul und jeweils dazu ausgerichtet einem Außenmodul aufweist, so dass zwischen dem Mittenmodul und dem zumindest einen Außenmodul eine Überströmungsstrecke mit Primärgas zur Erzeugung einer Primärgasströmung gebildet ist, wobei zumindest eine Absaugeinrichtung nach einem der vorbeschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist.
Des Weiteren ist bevorzugt an dem Mittenmodul und/oder dem Außenmodul zumindest eine Absaugeinrichtung vorgesehen. Dadurch kann eine hohe Durchflussrate des Prozessgases in der Prozesskammer angesteuert werden, um die Prozesskammer zu spülen. Des Weiteren ist bevorzugt an die Absaugeinrichtung zumindest ein Axialabscheider anschließbar. Dadurch können im abgesaugten Prozessgasstrom mitgeführte Partikel separiert werden. Bevorzugt sind beispielsweise am Mittenmodul an den Absaugeinrichtungen angeordnete Absaugeinrichtungen benachbart zueinander vorgesehen. Diese vorzugsweise zwei Axialabscheider können den Prozessgasstrom über eine Strömungszusammenführung in eine gemeinsame Absaugleitung überführen, die vorzugsweise zu einer Pumpe führt.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials,
2 eine perspektivische Schnittansicht einer Prozesskammer gemäß 1,
3 eine perspektivische Ansicht auf eine Zuführeinrichtung für einen Sekundärgasstrom,
4 eine schematische Ansicht von unten auf die Zuführeinrichtung für den Sekundärgasstrom,
5 eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer mit einem Primärgas und Sekundärgasstrom,
6 eine perspektivische Ansicht einer Absaugeinrichtung eines Mittenmoduls gemäß der Vorrichtung in 1,
7 eine schematische Ansicht einer Absaugeinrichtung mit einem Axialabscheider zum Abführen des Prozessgases aus einer Prozesskammer der Vorrichtung gemäß 1,
8 eine schematische Seitenansicht einer Prozesskammer gemäß einer alternativen Ausführungsform zu 5, und
9 eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer in einem weiteren Arbeitsschritt zu 8 für das Herstellen eines dreidimensionalen Objektes.

In 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung 11 zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten 12 durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials dargestellt. Diese Vorrichtungen 11 werden auch als 3-D-Drucksysteme, selektive Lasersintermaschinen, selektive Laserschmelzmaschinen oder dergleichen bezeichnet. Die Vorrichtung 11 umfasst ein Gehäuse 14, in dem eine Prozesskammer 16 vorgesehen ist. Die Prozesskammer 16 ist nach außen hin geschlossen. Diese kann über eine nicht näher dargestellte Tür oder einen Sicherheitsverschluss zugänglich sein. In der Prozesskammer 16 ist eine Aufbauplattform 17 vorgesehen, auf der zumindest ein dreidimensionales Objekt 12 schichtweise erzeugt wird. Die Größe der Aufbauplattform 17 bestimmt ein Aufbaufeld für die Herstellung der dreidimensionalen Objekte 12. Die Aufbauplattform 17 ist in der Höhe bzw. in Z-Richtung verfahrbar. Benachbart zur Aufbauplattform 17 sind Überlaufbehälter 19 oder Auffangbehälter vorgesehen, in welche nicht benötigtes oder nicht verfestigtes Aufbaumaterial gesammelt wird. Oberhalb der Aufbauplattform 17 ist in der Prozesskammer 16 eine Prozessunterstützungseinrichtung 21 angeordnet. Diese Prozessunterstützungseinrichtung 21 ist zumindest teilweise in X-Richtung verfahrbar angesteuert.
Der Prozesskammer 16 zugeordnet oder an der Prozesskammer 16 befestigt ist eine Strahlungsquelle 26 vorgesehen, durch welche ein Strahl 27, insbesondere ein Laserstrahl, erzeugt wird. Dieser Laserstrahl wird entlang einer Strahlführung 28 geführt und über ein ansteuerbares Strahlführungselement 29 auf die Aufbauplattform 17 umgelenkt und gerichtet. Dabei tritt der Strahl 27 über eine Strahleintrittsöffnung 30 in die Prozesskammer 16 ein. Das auf der Aufbauplattform 17 aufgebrachte Aufbaumaterial kann im Auftreffpunkt 31 des Strahls 27 verfestigt werden.
Die Prozessunterstützungseinrichtung 21 umfasst ein Mittenmodul 33 sowie jeweils ein dem Mittenmodul 33 zugeordnetes Außenmodul 34, 35. In der Ausführungsform der Prozessunterstützungseinrichtung 21 gemäß 1 ist vorgesehen, dass die Außenmodule 34, 35 ortsfest zu einem Prozesskammerboden 18 vorgesehen sind. Das Mittenmodul 33 ist zwischen einer linken und rechten Endlage 34, 35 verfahrbar angesteuert. In der Ansicht gemäß 1 ist das Mittenmodul 33 in der linken Endlage 36 positioniert. Die Außenmodule 34 umfassen eine Auslassdüse 38, die an einem Zuführkanal 39 befestigt ist. Diese Auslassdüse 38 weist bevorzugt vertikal ausgerichtete Leitflächen auf. Zudem ist die Auslassdüse 38 in Austrittsrichtung verjüngt ausgebildet. Dadurch kann ein in die Prozesskammer 16 zugeführter Primärgasstrom homogenisiert und stabilisiert werden.
Das Mittenmodul 33 umfasst zwei Absaugeinrichtungen 41, die jeweils eine entgegengesetzt zueinander ausgerichtete Einsaugöffnung 42 aufweisen. Zwischen den Absaugeinrichtungen 41 ist ein Vorratsbehälter 44 zur Aufnahme von Aufbaumaterial vorgesehen. Dieser Vorratsbehälter 44 weist zum Prozesskammerboden 18 gerichtet zumindest eine Öffnung oder einen Ausgabeschlitz auf, so dass beim Überfahren der Aufbauplattform 17 durch das Mittenmodul 33 eine Schicht an Aufbaumaterial ausgegeben werden kann. Zwischen zwei Vorratsbehältern 44, die benachbart zur Absaugeinrichtung 41 angeordnet sind, ist bevorzugt eine Beschichtungseinrichtung 46 vorgesehen. Bevorzugt wird der in Verfahrrichtung des Mittenmoduls 33 vorauseilende Vorratsbehälter 44 mit Aufbaumaterial befüllt. Die Beschichtungseinrichtung 46 ist nachlaufend. Insbesondere umfasst die Beschichtungseinrichtung 46 zumindest eine Beschichterlippe.
Das Mittenmodul 33 wird bevorzugt in der rechten und/oder linken Endlage 36, 37 mit Aufbaumaterial befüllt. Diesbezüglich kann der einen oder beiden Endlagen 36, 37 zugeordnet eine Dosiervorrichtung 48 vorgesehen sein. Diese Dosiervorrichtung 48 kann entlang einer Y-Achse (2) verfahren werden, so dass über die Breite des Mittenmoduls 33 eine gleichmäßige Befüllung des Vorratsbehälters 44 erfolgen kann.
Der Überlaufbehälter 19 ist ebenfalls der rechten und linken Endlage 36, 37 zugeordnet, so dass abgestreiftes Aufbaumaterial durch die Beschichtungseinrichtung 46 des Mittenmoduls 33 bei Einnahme der Endlage 36, 37 in den Überlaufbehälter 19 abgeführt werden kann.
Jedes Außenmodul 33 ist mit einer Versorgungsleitung 52 verbunden. Diese Versorgungsleitung 52 wird mit einem Primärgas durch eine nicht näher dargestellte Pumpe bzw. Primärgasquelle beaufschlagt, so dass durch die Außenmodule 34 eine Primärgasströmung in die Prozesskammer 16 ausgegeben werden kann.
Oberhalb der Prozesskammer 16 ist eine Zuführeinrichtung 55 für eine Sekundärgasströmung in die Prozesskammer 16 vorgesehen. Diese Zuführeinrichtung 55 umfasst zwei einander gegenüberliegende Zuführkanäle 56, die an die Strahleintrittsöffnung 30 angrenzend positioniert sind. Über zumindest eine Zuführöffnung 57, welche der Strahleintrittsöffnung 30 zugeordnet ist oder diese umgibt, strömt das Sekundärgas in die Prozesskammer 16 ein und wird von oben auf die Aufbauplattform 17 zugeführt.
Die Prozesskammer 16 weist seitliche Wandabschnitte 60 auf, welche die Länge der Prozesskammer 16 begrenzen. Diese Wandabschnitte 60 umfassen Strömungsflächen 62, die sich in Richtung auf die Aufbauplattform 17 erstrecken und eine Querschnittsfläche der Prozesskammer 16 verengen. Dabei ist ein Abstand 61 vorgesehen, welcher der Länge der Aufbauplattform 17, die sich in X-Richtung erstreckt, entspricht oder vorzugsweise kleiner ist, wie dies in 1 dargestellt wird. Ausgehend von dem geringsten Abstand 61 weitet sich die Strömungsfläche 62 auf. Der Wandabschnitt 60 geht in eine horizontale Begrenzungsfläche 63 über. Diese Begrenzungsfläche 63 verläuft bevorzugt parallel zum Prozesskammerboden 18 und ist in einem Abstand zum Prozesskammerboden 18 vorgesehen, so dass zwischen der Begrenzungsfläche 63 und dem Prozesskammerboden 18 die Prozessunterstützungseinrichtung 21 positionierbar ist. Durch diese Ausgestaltung der Prozesskammer 16 wird ein tulpenförmiger Querschnitt bzw. eine tulpenförmige Kontur erzielt, wodurch eine Strömungsoptimierung bei der Zuführung eines Sekundärgases von oben in die Prozesskammer 16 ermöglicht ist. Alternativ kann die Prozesskammer 16 eine konusförmige Kontur oder die Kontur eines parabelförmigen Einlauftrichters aufweisen.
Jeder Zuführkanal 56 der Zuführeinrichtung 55 wird über eine Versorgungsleitung 52 mit Sekundärgas über eine nicht näher dargestellte Sekundärgasquelle versorgt.
Anhand der nachfolgenden 2 bis 4 wird die Zuführeinrichtung 55 zum Zuführen eines Sekundärgases und zur Bildung eines Sekundärgasstromes innerhalb der Prozesskammer 16 näher beschrieben.
In dem Zuführkanal 56 ist bevorzugt ein über den Querschnitt sich erstreckendes Lochblech 71 vorgesehen. Dadurch kann bereits eine erste homogene Stromaufteilung des zugeführten Sekundärgases erzielt werden. Der Zuführkanal 56 mündet in die Zuführöffnung 57. Im Ausführungsbeispiel ist die Zuführöffnung 57 durch ein Durchströmungselement 59, wie beispielsweise ein Strömungssieb, gebildet. Dieses Durchströmungselement 59 kann beispielsweise auch als Lochblech oder als ein gasdurchlässiges Gewirke oder als ein mehrlagiges Metallgewebe oder dergleichen ausgebildet sein. Die Zuführöffnung 57 umgibt vollständig die Strahleintrittsöffnung 30. Somit liegt die Zuführöffnung 57 und die Strahleintrittsöffnung 30 in einer gemeinsamen Ebene.
Zwischen dem Lochblech 71 im Zuführkanal 55 und der Zuführöffnung 57 erstrecken sich Leitbleche 72, welche den Querschnitt des Zuführkanals 55 in einen Kernstrom 74 und zwei außenliegende Seitenströme 75 untergliedern. Diese Leitbleche 72 erstrecken sich entlang der Breite der Strahleintrittsöffnung 30 jeweils über die Hälfte der Länge der Strahleintrittsöffnung 30. Gleichzeitig weist der Zuführkanal 56 eine obere gekrümmte Fläche 76 auf, um die Seitenströme 75 über die seitlichen Bereiche der Zuführöffnung 57 der Prozesskammer 16 zuzuführen.
Jeweils der Stirnseite der Strahlaustrittsöffnung 30 zugeordnet ist an der Zuführöffnung 57 eine Sperrstrom-Finne 77 vorgesehen. Diese Sperrstrom-Finne 77 ist im Abstand zur Strahleintrittsöffnung 30 innenliegend zur Prozesskammer 16 vorgesehen. Diese Sperrstrom-Finnen 77 sind nahezu horizontal ausgerichtet. Dadurch wird ein horizontaler Sperrstrom von beiden Seiten über die Zuführkanäle 56 zugeführt, die sich in der Mitte der Strahleintrittsöffnung 30 treffen und darauffolgend einen abwärts gerichteten Sekundärgasstrom erzeugen. Zwischen einer Stirnseite der Strahleintrittsöffnung 30 und dem Wandabschnitt 60 ist jeweils ein Strömungsstabilisator 78 vorgesehen. Dieser weist bevorzugt eine Krümmung entsprechend der Strömungsfläche 62 auf. Dieser Strömungsstabilisator 78 erstreckt sich über die gesamte Breite des Zuführkanals 56 bzw. Zuführöffnung 57. Diese Strömungsstabilisatoren 78 ermöglichen einen rückströmungsfreien und gleichmäßigen Sekundärgasstrom in dem Randbereich der Prozesskammer 16 unabhängig von der Position des Mittenmoduls 33.
In 5 ist eine schematische Seitenansicht der Prozesskammer 16 gemäß 1 während eines Arbeitsschrittes zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts 12 dargestellt. Der Strahl 27 ist auf das Aufbaumaterial in der Aufbauplattform 17 gerichtet und verfestigt im Auftreffpunkt 31 das Aufbaumaterial. Das Mittenmodul 33 ist beispielsweise rechts benachbart zum Auftreffpunkt 71 positioniert. Dieses Mittenmodul 33 kann den Strahl 27, der beispielsweise in Richtung auf die linke Endlage 36 zubewegt wird, nachlaufen. Gleichzeitig wird die Prozessunterstützungseinrichtung 21 mit einem Primärgas und die Zuführeinrichtung 55 mit einem Sekundärgas beaufschlagt. Dabei ist gemäß einer ersten Ausführungsform vorgesehen, dass ein Primärgasstrom zwischen einem linken Außenmodul 34 und dem Mittenmodul 33 sowie ein Sekundärgasstrom zwischen der Zuführeinrichtung 55 und dem Mittemodul 33 erzeugt wird. Bei dieser ersten Ausführungsform ist nur die linke Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 zur gemeinsamen Absaugung des Primärgasstroms und des Sekundärgasstroms angesteuert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass durch das linke und rechte Außenmodul 34, 35 ein Primärgasstrom ausgegeben wird, welcher durch die jeweilige linke und rechte Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 abgesaugt wird. Darüber hinaus wird gleichzeitig über die Zuführeinrichtung 55 ein Sekundärgasstrom auf das Mittenmodul 33 zugeführt. Aufgrund der in 5 dargestellten Position des Mittenmoduls 33 wird ein vergrößerter Volumenstrom des Sekundärgases der linken Absaugeinrichtung 41 zugeführt und gemeinsam mit dem Primärgasstrom abgesaugt. Ein geringerer Volumenstrom der Sekundärgasströmung kann über die rechte Absaugeinrichtung 41 des Mittenmoduls 33 zusammen mit dem rechten Primärgasstrom abgesaugt werden. Bei dieser Ausführungsform erfolgt über beide Absaugeinrichtungen 41 des Mittenmoduls 33 eine gemeinsame Absaugung des der Prozesskammer 16 zugeführten Primärgasstromes und Sekundärgasstromes.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Auslassdüse 38 der Außenmodule 34, 35 einen Öffnungsquerschnitt im Verhältnis zu den Einsaugöffnungen 42 der Absaugeinrichtung 41 von größer 3 aufweist.
In 6 ist eine perspektivische Ansicht der Absaugeinrichtung 41 dargestellt. Diese Absaugeinrichtung 41 umfasst ein Absaugrohr 85, welches an einem stirnseitigen Ende eine Auslassöffnung 86 aufweist. An einem gegenüberliegenden Ende ist das Absaugrohr 85 durch eine Wand geschlossen. In Längsrichtung des Absaugrohres 85 erstreckt sich eine Einlassöffnung 42. Diese Einlassöffnung 42 ist vorzugsweise außerhalb einer Längsachse 87 des Absaugrohres 85 positioniert. Die Einsaugöffnung 42 erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Länge des Absaugrohres 85. Die Einsaugöffnung 42 umfasst eine Schlitzhöhe, die an die Auslassöffnung 86 angrenzend geringer ist als an dem gegenüberliegenden absaugfernen Ende des Absaugrohres 85. Gemäß einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Einsaugöffnung 42 durch zwei geradlinig verlaufende Körperkanten gebildet ist, welche die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung 42 definieren.
Die Einsaugöffnung 42 ist bevorzugt durch eine parabelförmige Einlaufkontur ausgebildet. Eine Seite der parabelförmigen Einlaufkontur wird durch einen Wandabschnitt 88 des Absaugrohres 85 gebildet. Die gegenüberliegende Seite des Einlauftrichters wird durch einen Wandabschnitt 89 an einem Fuß 91 der Absaugeinrichtung 41 gebildet. Dieser Fuß 91 umfasst eine ebene Unterseite 92, welche zur Aufbauplattform 17 ausgerichtet ist und entlang der Aufbauplattform 17 verfahrbar ist. An einer Außenseite des Fußes 91 ist eine Strömungskante 93 vorgesehen, welche sich parallel zur Einsaugöffnung 42 befindet und vorzugsweise dieselbe Länge wie die Einsaugöffnung 42 erstreckt. Von dieser Strömungskante 93 aus erstreckt sich der Wandabschnitt 89 gekrümmt zur Einsaugöffnung 42, um die parabelförmige Einlaufkontur mit dem gegenüberliegenden Wandabschnitt 88 des Absaugrohres 85 zu bilden.
Durch die Änderung der Schlitzhöhe h der Einsaugöffnung 42 über die Länge des Absaugrohres 85 und die außermittige Anordnung der Einsaugöffnung 42 wird die Absaugeinrichtung 41 als ein Zyklonrohr mit einer einseitigen Absaugung ausgebildet. Durch die Änderung der Schlitzhöhe h kann eine staudruckoptimierte Absaugung erzielt werden. Durch den zur Einsaugöffnung 42 ausgebildeten Einsaugtrichter können die einzusaugenden Strömungen stabilisiert und zusammengeführt werden.
Der an dem Absaugrohr 85 ausgebildete Wandabschnitt 88 kann beispielsweise durch ein elastisch nachgiebiges Material, wie beispielsweise ein Federblech oder dergleichen, ausgebildet sein. Dies weist den Vorteil auf, dass die Änderung der Schlitzhöhe h der Einsaugöffnung 42 über die Länge des Absaugrohres 85 in einfacher Weise mit einer Lehre einstellbar ist, welche beispielsweise einen Querschnitt des Einsaugtrichters aufweist. Diese Lehre ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und weist an einer oberen und unteren Stirnseite die Kontur des Einsaugtrichters auf und kann von außen auf die Einsaugöffnung 42 aufgesetzt werden, um den Wandabschnitt 88 entsprechend zu formen und der Verlauf der Schlitzhöhe h₁ zu dem gegenüberliegenden Ende der Einsaugöffnung 42 mit der Schlitzhöhe h₂ einzustellen. Die Lehre bleibt bevorzugt dauerhaft in der Einsaugöffnung 42.
In 7 ist eine schematisch vereinfachte Ansicht der Vorrichtung 11 mit der Prozesskammer 16 dargestellt. Über das Mittenmodul 32 bzw. die an dem Mittenmodul 33 angeordneten Absaugeinrichtungen 41 wird das Prozessgas aus der Prozesskammer 16 herausgeführt. Vorzugsweise sind die Absaugeinrichtungen 41 spiegelbildlich am Mittenmodul 33 vorgesehen, so dass zu beiden Seiten des Mittenmoduls 33 eine Absaugung von Primär- und/oder Sekundärgas erfolgen kann. An jeder Auslassöffnung 86 der Absaugrohre 85 bevorzugt ein Absaugdiffusor angeschlossen, welcher sich im Querschnitt gegenüber der Auslassöffnung 86 aufweitet. Darauffolgend kann ein Axialabscheider 94 vorgesehen sein. Der Axialabscheider 94 umfasst einen vorzugsweise konischen Separator 96. Durch diesen Axialabscheider 94 werden aufgrund des aufgebrachten Dralls des abzusaugenden Prozessgases Partikel durch den Separator 96 in einen Fallschacht 97 ausgeschieden. An diesen beiden Axialabscheider 94 kann jeweils eine Absaugleitung 95 vorgesehen sein. Bevorzugt werden die beiden Prozessgasströme, die jeweils aus der Absaugeinrichtung 41 abgesaugt werden, über eine Strömungszusammenführung 98 in eine gemeinsame Absaugleitung 95 übergeführt, die an dieser Pumpe angeschlossen ist.
In 8 ist eine schematische Seitenansicht eines Arbeitsschritts der Vorrichtung 11 zur Herstellung des dreidimensionalen Objektes 12 mit einer alternativen Ausführungsform der Prozessunterstützungseinrichtung 21 dargestellt. Die 9 zeigt eine weitere mögliche Arbeitsposition gemäß der Ausführungsform in 8.
Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Prozessunterstützungseinrichtung 21 zwei verfahrbar angesteuerte Außenmodule 34, 35 aufweist. Diesbezüglich sind die Zuführkanäle 56 vorzugsweise teleskopartig ausgebildet, so dass die Auslassdüsen 38 relativ zur Aufbauplattform 17 verfahrbar sind. Die verfahrbare Ansteuerung der Außenmodule 34, 35 relativ zur Verfahrbewegung des Mittenmoduls 33 weist den Vorteil auf, dass die Überströmungsstrecke zwischen der Auslassdüse 38 und der Absaugeinrichtung 41 kurzgehalten werden kann. Dadurch kann entlang der Überströmungsstrecke die Homogenität des Primärgasstromes aufrechterhalten bleiben, wodurch eine verbesserte Absaugung erzielt werden kann. Bei der Darstellung in 8 ist vorgesehen, dass das Mittenmodul 33 in eine Endlage 36 verfahren wird. Das rechte Außenmodul 35 folgt dabei dem Mittenmodul 33, vorzugsweise mit gleichbleibendem Abstand. Gleichzeitig wird das linke Außenmodul 34 zunehmend in die linke Endlage 36 übergeführt. Durch die gleichzeitige Zuführung der Primärgasströme und des Sekundärgasstromes kann eine vollständige Spülung der Prozesskammer 16 erzielt werden. Während der in 7 dargestellten Verfahrbewegung wird bevorzugt über beide Auslassmodule 34, 35 ein Primärgasstrom ausgegeben und über beide Absaugeinrichtungen 41 des Mittenmoduls 33 eine Absaugung des Primärgasstromes und Sekundärgasstromes angesteuert.
Auch während dem Verfahren des Mittenmoduls 33 in eine Endlage 36, 37 oder in der Endlage 36, 37, wie beispielsweise die linke Endlage 36, wird der Primärgasstrom und/oder der Sekundärgasstrom aufrechterhalten. Bevorzugt ist eine konstante Beströmung des gesamten Prozessgaskreislaufs vorgesehen.

Claims

Absaugeinrichtung zum Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer (16) einer Vorrichtung (11) zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahles, - mit einem Absaugrohr (85), welches an einem oder beiden stirnseitigen Enden eine Auslassöffnung (86) aufweist, an welchem eine Absaugleitung (95) anschließbar ist, - mit einer sich in Längsrichtung des Absaugrohres (85) erstreckenden Einsaugöffnung (42), welche schlitzförmig ausgebildet ist, - wobei eine Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) sich entlang einer Länge des Absaugrohres (85) ändert und eine der Auslassöffnung (86) zugeordnete Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) kleiner als die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) an einem zur Auslassöffnung (85) entfernten Bereich des Absaugrohres (85) ausgebildet ist.
Absaugeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsaugöffnung (42) außerhalb der Längsachse (87) des Absaugrohres (85) und vorzugsweise tangential ausgerichtet in das Absaugrohr (85) mündet.
Absaugeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsaugöffnung (42) als ein Einsaugtrichter ausgebildet ist und vorzugsweise der von außen zur Einsaugöffnung (42) führende Einsaugtrichter eine geradlinige oder parabelförmige Einlaufkontur aufweist.
Absaugeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Einsaugöffnung (42) führende Seite des Einsaugtrichters durch einen Wandabschnitt (88) des Absaugrohres (85) gebildet ist und dessen gegenüberliegende Seite des Einsaugtrichters durch einen Wandabschnitt (89) am Fuß (91) des Absaugrohres (85) gebildet ist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (85) an einem stirnseitigen Ende die Auslassöffnung (86) und an dem gegenüberliegenden Ende einen Verschluss aufweist und geschlossen ist.
Absaugeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (85) an beiden stirnseitigen Enden jeweils die Anschlussöffnung (86) aufweist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (85) zur Auslassöffnung (86) weisend eine geringere Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) als am absaugfernen Bereich des Absaugrohres (85) oder am absaugfernen, geschlossenen Ende des Absaugrohres (85) aufweist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) über die gesamte Länge des Absaugrohres (85) sich linear oder linear segmentiert oder polynominal vergrößert.
Absaugeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis zwischen der kleinsten Schlitzhöhe der Einsaugöffnung (42) und ein Durchmesser des Absaugrohres (85) unabhängig von der Absaugleistung und/oder der Absauggeschwindigkeit konstant gehalten ist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme der Schlitzhöhe entlang der Einsaugöffnung (42) einer Funktion über die Länge der Einsaugöffnung (42) folgt, welche vorzugsweise mit einem Faktor in einem Bereich von 0,001 bis 0,015 multipliziert ist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absaugrohr (85) als Zyklonrohr ausgebildet ist.
Absaugeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die zumindest eine Auslassöffnung (86) des Absaugrohres (85) ein Axialabscheider (94) anschließbar ist, welcher über eine Absaugleitung (95) das eingesaugte Prozessgas abführt.
Absaugeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Axialabscheider (94) ein Separator (96), vorzugsweise konischer Separator (96), vorgesehen ist, durch welchen Partikel vom abgesaugten Prozessgasstrom separierbar und in einen Fallschacht (97) überführbar sind.
Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten (12) durch selektives Verfestigen eines schichtweise aufgebrachten Aufbaumaterials mittels eines auf das Aufbaumaterial einwirkenden Strahles (27), - mit zumindest einer Prozesskammer (16), welche zumindest eine in einer X-/Y-Ebene angeordnete Aufbauplattform (17) aufweist, auf welcher das dreidimensionale Objekt (12) erzeugt wird, - mit einer Strahlungsquelle (26) zur Erzeugung des Strahls (27), - mit zumindest einem Strahlführungselement (29) zum Führen und Lenken des Strahls (27) auf das zu verfestigende Aufbaumaterial, wobei der Strahl (27) über eine Strahleintrittsöffnung (30) in die Prozesskammer (16) einkoppelbar ist, - mit einer Prozessunterstützungseinrichtung (21), welche zur Erzeugung einer Primärgasströmung entlang der Aufbauplattform (17) ein Mittenmodul (33) und jeweils dazu ausgerichtet ein Außenmodul (34, 35) aufweist, so dass zwischen dem zumindest einen Außenmodul (34, 35) und dem Mittenmodul (33) eine Überströmungsstrecke mit Primärgas gebildet ist, wobei die Außenmodule (34, 35) und/oder das Mittenmodul (33) der Prozessunterstützungseinrichtung (21) entlang der Aufbauplattform (17) verfahrbar sind,dadurch gekennzeichnet, - dass zumindest eine Absaugeinrichtung (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Absaugeinrichtung (41) an dem Mittenmodul (33) und/oder dem Außenmodul (34, 35) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass an die Absaugeinrichtung (41) zumindest ein Axialabscheider (94) anschließbar ist und vorzugsweise ausgangsseitig an zwei oder mehreren benachbarten Axialabscheidern (94) eine Strömungszusammenführung (98) vorgesehen ist.