DE102021208111A1

DE102021208111A1 - Kontrollierte Oxidation

Info

Publication number: DE102021208111A1
Application number: DE102021208111.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kleinhans; Philip Ströbel; Robert Achim Domröse
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-02
Also published as: EP4376982A1; WO2023006535A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Prozesskammer (3) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) und ein Umwälzsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, aufweist, wobei mit dem Umwälzsystem eine Filteranlage (40) verbunden ist, die zumindest eine Filterkammer (41) aufweist, welche ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält, wird zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung sowie eine entsprechend angepasste additive Herstellvorrichtung.
Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Objekten 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. Hierbei wird wiederholt eine Schicht eines in der Regel pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von dem Querschnitt des herzustellenden Objekts in dieser Schicht entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt. Weitere Details werden beispielweise in EP 2 978 589 B1 beschrieben.
Während des Herstellungsvorgangs wird oftmals in der Prozesskammer, in der das Aufbaumaterial selektiv mittels Strahlung aufgeschmolzen wird, eine Schutzgasatmosphäre, in der Regel eine Inertgasatmosphäre, aufrechterhalten. Ein Grund dafür ist u. a., dass manche Aufbaumaterialien, insbesondere wenn diese metallhaltig sind, bei den hohen Temperaturen während des Aufschmelzvorgangs zur Oxidation neigen, was die Ausbildung von Objekten verhindert (z.B. könnte Titan anfangen, unkontrolliert zu brennen) oder zumindest die Ausbildung von Objekten mit wunschgemäßem Materialgefüge verhindert.
Die Verhältnisse während des Aufschmelzvorgangs sind mit jenen beim Schweißen (z.B. Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen) vergleichbar. Insbesondere kann durch die eingetragene Strahlungsenergie Aufbaumaterial verdampfen und bei Abkühlung in Form von Kondensatpartikeln auskondensieren. Die Kondensatpartikel sind somit in der vorhandenen Gasatmosphäre enthalten. Diese Mischung aus Gas und Kondensatpartikeln (oftmals mit einer Größe unterhalb von 50 nm) wird in der vorliegenden Anmeldung auch manchmal als Schweißrauch bezeichnet. Darüber hinaus können in dem Schweißrauch auch noch weitere Bestandteile, wie z.B. aufgewirbeltes pulverförmiges Aufbaumaterial (oftmals mit Partikelgrößen zwischen 1 und 50 µm), enthalten sein. In additiven Herstellvorrichtungen, bei denen das Aufbaumaterial mittels Strahlung aufgeschmolzen wird, kann der Schweißrauch zur Streuung der Strahlung und dadurch zur Beeinträchtigung des Herstellvorgangs führen. Daher wird das Schutzgas in der Regel als Schutzgasstrom über die Bauebene, also die Oberfläche einer zu verfestigenden Aufbaumaterialschicht, geleitet, um den Schweißrauch von dort zu entfernen.
Da die Schweißrauchrückstände sich gerade in einem im Kreislauf geführten Schutzgas mit der Zeit anreichern würden, schlägt US 2014/0287080 vor, in dem Gasströmungskreis zwei Filtereinrichtungen anzuordnen, die jeweils ein Filterelement aufweisen.
In DE 10 2014 207 160 A1 wird eine zyklische Abreinigung eines Filterelements einer Umluftfiltereinrichtung mittels eines Gasdruckstoßes beschrieben.
Insbesondere bei Verwendung metallhaltiger bzw. metallischer Aufbaumaterialien (z.B. Titan oder Titanlegierungen) neigen die Kondensatpartikel und Pulverpartikel, insbesondere bei hohen Temperaturen, zu einer Reaktion mit oxidativen Materialien, wobei die Reaktionsrate mit der Temperatur steigt. Metallkondensat kann sich dabei bei Raumtemperatur und Luftsauerstoffkontakt spontan selbst entzünden, ist also in der Regel pyrophor. Hierdurch kann es gerade im Bereich von Filterelementen, an denen sich die in dem Schutzgas mitgeführten Partikel ansammeln, zu unkontrollierten Filterbränden kommen. Dieses Risiko besteht verstärkt, wenn bei einem Wechsel des Filterelements Sauerstoff aus der Umgebungsluft an das Filterelement gelangt.
EP 1 527 807 schlägt für das Abscheiden von Staubbestandteilen aus einem explosionsfähigen Staub-Luft-Gemisch vor, eine Inertisierung der Filterelemente dadurch zu bewerkstelligen, dass diese mit Additiv-Partikeln beladen werden. Als Additiv-Partikel werden im Zusammenhang mit Aluminiumstaub Partikel aus Calciumcarbonat und Siliziumdioxid genannt. Allerdings führt solch ein Vorgehen dazu, dass die Additiv-Partikel die Kosten erhöhen und die Abfallmenge erhöhen. Ferner können Additiv-Partikel selbst in hohen Anteilen (> 90wt.-%) in der Regel nicht eine Selbstentzündung des Filterelements verhindern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Verhinderung von Bränden an Filterelementen, die in Zusammenhang mit additiven Herstellvorrichtungen verwendet werden, sowie eine entsprechend ausgelegte additive Herstellvorrichtung bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Steuervorrichtung nach Anspruch 14. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei kann das Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Prozesskammer zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts und ein Umwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer geleitet wird, aufweist, wobei mit dem Umwälzsystem eine Filteranlage verbunden ist, die zumindest eine Filterkammer aufweist, welche ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält, wird zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt.
Additive Herstellvorrichtungen, auf die sich die Erfindung bezieht, sind hierbei insbesondere solche, die zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Objekten, insbesondere aus einem metallhaltigen Aufbaumaterial, geeignet sind. Insbesondere bezieht sich dies auf solche Herstellvorrichtungen, in denen die Objekte schichtweise aufgebaut werden, also beispielsweise Laserschmelz-und Lasersintervorrichtungen. Darüber hinaus ist aber auch eine Anwendung in anderen generativen Vorrichtungen möglich, in denen bei einer hohen Prozesstemperatur gearbeitet wird, um Aufbaumaterial mit einem hohen Schmelzpunkt aufzuschmelzen, beispielsweise Laser Cladding-Vorrichtungen. In allen Fällen kann anstelle einer Vorrichtung mit einem Laser auch eine Vorrichtung verwendet werden, in der ein Elektronenstrahl zur Einbringung der notwendigen Energie zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials eingesetzt wird.
Als Prozesskammer wird ein Bereich der Herstellvorrichtung angesehen, in dem der additive Herstellvorgang stattfindet und der durch eine Umhüllung umschlossen ist, sodass in seinem Inneren eine andere Gasatmosphäre als jene in der Umgebung der Herstellvorrichtung aufrechterhalten werden kann. Bei dem Schutzgas im Inneren der Prozesskammer kann es sich insbesondere um ein Inertgas handeln, also beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon, wobei das Schutzgas auch Mischungen verschiedener chemischer Elemente enthalten kann und der Druck in der Prozesskammer gegebenenfalls auch unterhalb des Atmosphärendrucks liegen kann. Denkbar ist insbesondere auch, dass das Schutzgas neben Inertgasen auch weitere Bestandteile aufweist.
Wenn das Umwälzsystem betrieben wird, sorgt eine Gasfördereinrichtung für einen kontinuierlichen Schutzgasstrom, bei dem Schutzgas, welches durch die Prozesskammer geleitet wurde, einer Filteranlage zugeführt wird und von der Filteranlage wieder der Prozesskammer zugeführt wird. Die Filteranlage enthält dabei zumindest eine Filterkammer, durch welche der Schutzgasstrom geleitet wird. Die Seite der Filterkammer, an der der Schutzgasstrom in die Filterkammer eintritt, wird nachfolgend auch als Rohgasseite bezeichnet. Die Seite der Filterkammer, an der der Schutzgasstrom nach Durchtritt durch ein Filterelement wieder die Filterkammer verlässt, wird nachfolgend auch als Reingasseite bezeichnet.
In einer Filterkammer befindet sich zumindest ein Filterelement, das geeignet ist, in dem Schutzgasstrom befindliche Partikel herauszufiltern. Insbesondere ist ein Filterelement durch einen Gasdruckstoß abreinigbar, d. h. es können mittels eines Gasdruckstoßes sich in Folge der Verwendung des Filterelements im Schutzgasstrom auf dem Filterelement ablagernde Verunreinigungen (Schweißrauchrückstände) entfernt werden. Insbesondere ist die Filterkammer so ausgelegt, dass für einen Austausch eines Filterelements die Filterkammer geöffnet werden muss, sodass Bestandteile der Umgebungsatmosphäre in die geöffnete Filterkammer und zu dem auszutauschenden Filterelement gelangen können. Das Filterelement ist dadurch gekennzeichnet, dass es für seinen Austausch der im Umwälzsystem verbleibenden Filterkammer entnommen werden muss und keine Umhausung zum Verhindern des Zutritts von Umgebungsluft an das Filterelement bei einem Wechsel des Filterelements aufweist.
Insbesondere wird das Filterelement erfindungsgemäß dem Oxidationsmittel ausgesetzt, während es sich in der Filterkammer befindet, also im eingebauten Zustand. Bei dem Oxidationsmittel kann es sich insbesondere um Sauerstoff handeln, der als Bestandteil eines Gases der Filterkammer zugeführt wird. Der Sauerstoff kann dabei in Gestalt von O₂, O₃, oder anderen Sauerstoffatome enthaltenden Verbindungen vorliegen, deren Sauerstoffanteil als Oxidationsmittel wirken kann. Möglich ist hier, das das Oxidationsmittel enthaltende Gas der Filterkammer unter Konstanthaltung des Oxidationsmittelanteils im Gas zuzuführen. Es kann aber auch so vorgegangen werden, dass der Oxidationsmittelgehalt kontinuierlich oder in Stufen erhöht und/oder kontinuierlich oder in Stufen erniedrigt wird. Möglich ist gegebenenfalls auch die Anreicherung einer Gasatmosphäre in der Kammer in der Kammer durch Zufuhr von reinem Sauerstoff. Wenn in der vorliegenden Anmeldung auf Sauerstoff Bezug genommen wird, so versteht es sich, dass dieser in den oben erwähnten Konfigurationen vorliegen kann oder aber auch durch ein anderes Oxidationsmittel ersetzt werden kann. Denkbar ist es auch, der Filterkammer eine bestimmte Oxidationsmittelmenge zuzuführen und danach die Zufuhr zu stoppen, sodass Oxidationsvorgänge in der Filterkammer dann ohne weitere Zufuhr von Oxidationsmittel ablaufen. Weiterhin kann man das Filterelement in der Filterkammer auch mehrmals einem Oxidationsmittel aussetzen, also zunächst für eine erste Zeitspanne und danach, nachdem die Oxidationsmittelkonzentration in der Filterkammer zwischenzeitlich stark abgesunken ist, insbesondere auf einen Wert nahe Null, nochmals für eine weitere Zeitspanne, die gleich oder unterschiedlich zur ersten Zeitspanne sein kann. Auch mehr als zwei Zeitspannen, in denen das Filterelement in der Filterkammer dem Oxidationsmittel ausgesetzt wird, sind denkbar.
Bevorzugt wird das Oxidationsmittel ohne vorherige oder begleitende Zuführung eines nicht mittels Oxidation wirkenden Passiviermittels, z. B. Kalk, zugeführt.
Insbesondere kann die Oxidationsreaktion durch Energiezufuhr angestoßen werden. Als Energiezufuhrmittel kann eine Heizvorrichtung, z.B. eine Strahlungsheizung oder eine Widerstandsheizung, zum Einsatz kommen, die das Filterelement erwärmt. Alternativ kann ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gasgemisch in erwärmtem Zustand zugeführt werden oder aber es kann am Filterelement eine Widerstandsheizung, z.B. in Form eines das Filterelement umgebenden Heizgeflechts, angebracht sein. Es sei bemerkt, dass nicht nur der Beginn, sondern auch der Verlauf der Oxidationsreaktion durch eine Erhöhung der Temperatur (z.B. durch Aufheizen der Kammer auf 300°C) gefördert werden kann, obwohl natürlich auch bei Raumtemperatur gearbeitet werden kann.
Die Erfinder konnten beobachten, dass sich insbesondere bei Verwendung eines Gewebefilters für eine gute Filterwirkung zunächst einmal Filtergut an dem Filterelement absetzen muss, damit das Filterelement seine typischen Eigenschaften erlangt. Mit anderen Worten, es muss sich zunächst einmal eine gewisse „Grundverschmutzung“ an dem Filter ablagern. Diese „Grundverschmutzung“ ist auch durch einen Gasdruckstoß bei den Abreinigungsvorgängen im Wesentlichen nicht abreinigbar. Insbesondere bei Verwendung metallischer Aufbaumaterialien bestehen die Partikel auf dem Filter teilweise aus Metallkondensaten, die hoch reaktiv bzw. pyrophor sind und unter starker Wärmefreisetzung mit Luftsauerstoff reagieren. Dadurch besteht selbst bei einem vorher abgereinigten Filterelement die Gefahr, dass es bei einem Austausch des Filterelements zu einem Brand des Filterelements kommt, wenn dieses in Kontakt zu Luftsauerstoff gelangt.
Daher wird gemäß dem vorliegenden Verfahren ein zuvor abgereinigtes Filterelement einem Oxidationsmittel ausgesetzt, wodurch auch die tiefsitzenden Verschmutzungen an dem Filterelement, also die „Grundverschmutzung“, kontrolliert oxidiert werden können. Der Zeitpunkt der Oxidation - nach einer Abreinigung - ermöglicht es dem Oxidationsmittel, auch tiefsitzende Ablagerungen an dem Filterelement zu erreichen. Da das Filterelement infolge der Abreinigung durchlässiger ist, also einen geringeren Widerstand gegenüber der Gasströmung aufweist, gelangt auch mehr Oxidationsmittel (Sauerstoff) pro Zeiteinheit an das Filterelement.
Die günstigste Zeitspanne, für die das Filterelement dem Oxidationsmittel auszusetzen ist, kann durch eine geringfügige Anzahl an Vorversuchen mit einem bestimmten Aufbaumaterial in der verwendeten additiven Herstellvorrichtung ermittelt werden. Das Ziel ist dabei eine Oxidation der Filtratbestandteile (Schweißrauchrückstände) in einem Umfang, der eine gefahrlose Entnahme des Filterelements nach der Oxidation ermöglicht. Ziel des Vorgehens ist dabei nicht, für eine möglichst vollständige Oxidation des Materials zu sorgen. Es soll vielmehr ein Zustand erreicht werden, bei dem eine hinreichende Menge der Schweißrauchrückstände zumindest insoweit teiloxidiert ist, dass eine Selbstentzündung auch bei Kontakt mit Luft ausgeschlossen ist. Dies wird durch das erfindungsgemäße Vorgehen gewährleistet, bei dem eine besonders gründliche Passivierung der Filterelemente stattfindet.
Die Erfinder konnten zufriedenstellende Ergebnisse erzielen, wenn die Oxidation bei einer Temperatur zwischen 20°C und 70°C, bevorzugt zwischen 40°C und 50°C, durchgeführt wurde, bei einem Volumenstrom des das Oxidationsmittel enthaltenden Gases zwischen 100 m³/h und 300 m³/h. Die entsprechenden Zeitspannen für die Oxidation lagen dann zwischen 5 und 180 Minuten, in der Regel bei 30 Minuten.
Bevorzugt wird in den Vorversuchen eine Brennzahl (nach VDI 2263-1 ermittelbar) und/oder eine Mindestzündenergie (nach EN 13821 ermittelbar) an dem Filterelement nach dessen Oxidation bestimmt. Die Zeitspanne, für die das Filterelement dem Oxidationsmittel auszusetzen ist, sollte bevorzugt so gewählt werden, dass die Brennzahl kleiner als 3 ist und/oder die Mindestzündenergie 10mJ überschreitet, bevorzugt 30 mJ überschreitet.
Alternativ kann ein für das Oxidationsmittel sensitiver Sensor, z.B. ein zur Ermittlung der Konzentration von gasförmigem Sauerstoff geeigneter Sensor, vorgesehen werden. Mit diesem kann der Oxidationsmittelgehalt (z.B. Sauerstoffgehalt) der Atmosphäre in der Filterkammer ermittelt werden. Als Sensoren können z.B. paramagnetische Sensoren bzw. Lambdasonden/Nernstsonden zum Einsatz kommen. Alternativ zur Oxidationsmittelkonzentration (in Vol.-%) kann z. B. auch ein Oxidationsmittelpartialdruck oder aber der Gesamtdruck in der Kammer (der mit abnehmender Oxidationsmittelkonzentration in der Kammeratmosphäre bei unterbrochener Gaszufuhr abnimmt, erfasst werden. Insbesondere können auch mehrere Sensoren vorhanden sein, die in der Kammer, stromaufwärts der Kammer, z.B. in Gaszufuhrleitungen zur Kammer, oder stromabwärts der Kammer, z.B. in Gasabfuhrleitungen von der Kammer, angeordnet sind. Die Begriffe „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ beziehen sich hierbei auf die Richtung eines Gasstroms mit dem der Kammer das das Oxidationsmittel enthaltende Gas zugeführt wird.
Der Oxidationsvorgang am Filterelement kann dadurch abgebrochen werden, dass die Zufuhr des das Oxidationsmittel enthaltenden Gases unterbrochen wird oder, falls die Zufuhr des Gases bereits unterbrochen ist und mit dem Sensor die zeitliche Veränderung des Oxidationsmittelgehalts in der Filterkammer erfasst wird, die Filterkammer mit einem Inertgas geflutet wird. Es sei bemerkt, dass man zum Steuern der Zeitspanne auch mehr als einen Sensor verwenden kann.
Optional kann ein Filterelement zusätzlich auch vor der Durchführung eines Abreinigungsvorgangs einem Oxidationsmittel ausgesetzt werden. In diesem Falle können die Ablagerungen an dem Filterelement, die durch den Abreinigungsvorgang entfernt werden, zuvor kontrolliert passiviert werden, damit sie nach der Abreinigung gefahrloser entsorgt werden können.
Bevorzugt wird die Filterkammer während der Abreinigung mittels Gasdruckstoß und während der Zeitspanne, in der das abgereinigte Filterelement einem Oxidationsmittel ausgesetzt ist, von der Prozesskammer gasdicht abgeschottet.
Für einen Abreinigungsvorgang wird bevorzugt die Filterkammer gasdicht gegenüber der Prozesskammer abgeschottet, damit der Gasdruckstoß keine Auswirkungen auf das Innere der Prozesskammer hat. Bevorzugt sollte auch vor der Zufuhr des Oxidationsmittels in die Filterkammer eine gasdichte Abschottung gegenüber der Prozesskammer erfolgen, damit in der Prozesskammer keine unerwünschten Oxidationsreaktionen stattfinden. Besonders bevorzugt wird die gasdichte Abschottung der Filterkammer gegenüber der Prozesskammer erst dann wieder aufgehoben, wenn der Anteil des Oxidationsmittels anschließend wieder auf ein definiertes Maß gesenkt wurde, z. B. durch Spülen der Filterkammer mit dem Schutzgas (z. B. Stickstoff oder Argon). Beispielsweise könnte der Restsauerstoffgehalt bei Stickstoffatmosphäre auf 1,3 Vol.-% eingestellt werden und bei Argonatmosphäre auf 0,1 Vol.-%.
Weiter bevorzugt wird die Filterkammer mit dem Filterelement nach dem Ende der vorgegebenen oder unter Verwendung des Sensors gesteuerten Zeitspanne wieder in den geschlossenen Gaskreislauf eingebracht.
Bevorzugt wird eine Oxidation am Filterelement nur in den Fällen durchgeführt, in denen anschließend das Filterelement gewechselt wird. Auch wenn nach einer Oxidation das Filterelement wieder in den geschlossenen Gaskreislauf eingebracht wird, gibt es Vorteile. Insbesondere wenn nach jedem Abreinigungsvorgang die beschriebene Oxidation am Filterelement durchgeführt wird, wird beständig verhindert, dass sich eine zu große Menge an reaktiven Ablagerungen an dem Filterelement ansammelt. Der Sinn des Abreinigungsvorgangs besteht ja gerade darin, dass der Zeitraum zwischen den Austauschvorgängen der Filterelemente verlängert werden soll.
Weiter bevorzugt ist während der Zeitspanne, in der das abgereinigte Filterelement einem Oxidationsmittel ausgesetzt ist, die Filterkammer mit der Prozesskammer, bevorzugt mit dem gesamten der Bereitstellung des Schutzgas-Kreislaufs dienenden Umwälzsystem, so verbunden, dass ein Gasaustausch möglich ist.
Bei solch einem Vorgehen kann eine Oxidation von Schweißrauchrückständen nicht nur am Filterelement, sondern auch an anderen Stellen des der Bereitstellung der Schutzgasatmosphäre dienenden Gasleitungssystems erfolgen. Dadurch können an den Wänden der Prozesskammer und des Gasleitungssystems anhaftende Schweißrauchrückstände kontrolliert passiviert werden. Im Prinzip kann dann für die Zu- und Abfuhr des das Oxidationsmittel enthaltenden Gases auch das für die Bereitstellung der Schutzgasatmosphäre dienende Gasleitungssystem verwendet werden. Der Begriff „Gasleitungssystem“ wird hier so verstanden, dass er nicht nur ein dem Schutzgas-Kreislauf dienendes Rohrleitungssystem umfasst, sondern auch weitere Vorrichtungen, die von dem Schutzgas durchdrungen werden, umfassen kann, wie z.B. einen Zyklonabscheider zum Abscheiden von Partikeln des Aufbaumaterials aus dem Schutzgas, der bevorzugt stromaufwärts der Filteranlage angeordnet sein kann, oder eine Gasfördereinrichtung, z.B. ein Umwälzgebläse. Kurz gesagt, kann die Filterkammer während der Oxidation mit dem gesamten Umwälzsystem verbunden sein.
In der Regel wird das soeben beschriebene Vorgehen gewählt, wenn kein reaktionsfähiges Aufbaumaterial in der Prozesskammer vorhanden ist, also insbesondere nach Beendigung eines Herstellvorgangs, nachdem das oder die hergestellten Objekte zusammen mit dem Aufbaumaterial aus der Prozesskammer entfernt wurden.
Weiter bevorzugt wird ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gas im Wesentlichen in der gleichen Richtung auf das Filterelement gerichtet, in der auch der Gasdruckstoß auf das Filterelement gerichtet wurde.
Ein Gasdruckstoß wird bevorzugt auf das Filterelement entgegen der Richtung gerichtet, in der der Schutzgasstrom das Filterelement beim Betrieb des Umwälzsystems durchdringt. Wenn das Filterelement dadurch einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird, dass ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gas in der gleichen Richtung wie der Gasdruckstoß auf das Filterelement gerichtet wird, dann hat das Oxidationsmittel besonders guten Zutritt zu den tiefsitzenden Ablagerungen auf dem Filterelement, da in diesem Falle der Zugang in weniger starkem Maße durch die Ablagerungen erschwert wird.
Weiterhin kann bei diesem Vorgehen auf der Rohgasseite des Filterelements und in einem zur Aufnahme der abgereinigten Filterablagerungen dienenden Auffangbehälter die gleiche oxidationsmittelhaltige Gasatmosphäre bereitgestellt werden.
Weiter bevorzugt wird ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gas im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung, in der der Gasdruckstoß auf das Filterelement gerichtet wurde, auf das Filterelement gerichtet.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass das Oxidationsmittel dann direkt auf die Filterrückstände gelangt und nicht erst Filtergewebe oder poröses Filtermaterial durchdringen muss.
Weiter bevorzugt wird nach dem Ende der Zeitspanne das Filterelement der Filterkammer entnommen, vorzugsweise durch ein unbeladenes Filterelement ersetzt.
Das beschriebene Verfahren wird bevorzugt dann ausgeführt, wenn ein Austausch eines Filterelements gegen ein unbeladenes Filterelement, also ein neues Filterelement oder ein Filterelement, welches außerhalb der Filterkammer einem Reinigungsvorgang unterzogen wurde, durchgeführt wird. Da für den Austausch des Filterelements dieses der Filterkammer entnommen werden muss und dadurch Luftsauerstoff an das Filterelement gelangen kann, ist die Gefahr einer Selbstentzündung des Filterelements nicht mehr gegeben.
Weiter bevorzugt wird eine Menge der Partikel auf einem Filterelement ermittelt, insbesondere durch Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen Ausgangs- und Eingangsseite einer Filterkammer, wenn die Filterkammer sich in dem geschlossenen Gaskreislauf befindet und von dem Schutzgasstrom durchströmt wird, und eine Zufuhrrate des Oxidationsmittels und/oder deren Änderung mit der Zeit in Abhängigkeit von der ermittelten Menge der Partikel auf dem Filterelement gewählt.
Hierbei ist die Ausgangsseite der Filterkammer jener Bereich der Filterkammer, der stromabwärts des Filterelements liegt, wenn dieses beim Betrieb des Umwälzsystems von dem Schutzgasstrom durchströmt wird. Entsprechend ist die Eingangsseite der Filterkammer jener Bereich der Filterkammer, der stromaufwärts des Filterelements liegt, wenn dieses beim Betrieb des Umwälzsystems von dem Schutzgasstrom durchströmt wird. Der Bereich stromabwärts des Filterelements wird dabei oft auch als Reingasseite des Filterelements bezeichnet und der Bereich stromaufwärts des Filterelements wird dann entsprechend als Rohgasseite des Filterelements bezeichnet.
Bei dem beschriebenen Vorgehen kann für eine möglichst schonende Oxidation der Ablagerungen gesorgt werden. Es wird nur die Menge an Oxidationsmittel der Filterkammer zugeführt, die für eine hinreichende Oxidation erforderlich ist. Je größer die Menge der Partikel auf dem Filterelement ist, desto größer ist die benötigte Menge an Oxidationsmittel, wobei auch berücksichtigt werden muss, dass das Oxidationsmittel umso schlechter zu den Partikeln gelangt, je dicker die Schicht der Ablagerungen (Partikel) ist. Insbesondere kann die Zufuhrrate des Oxidationsmittels auch so kontrolliert werden, dass eine übermäßige Erwärmung des Filterelements verhindert wird, indem beispielsweise ein Temperatursensor am Filterelement angebracht wird, wobei die Temperaturwerte für eine Regelung der Zufuhrrate des Oxidationsmittels genutzt werden. Insbesondere kann die Zufuhrrate des Oxidationsmittels auch alternativ oder zusätzlich in Abhängigkeit von der Größenverteilung und/oder metallurgischen Beschaffenheit der Filterablagerungen verändert werden.
Weiter bevorzugt wird das Filterelement während der Abreinigung mittels Gasdruckstoß zumindest zeitweise einem Oxidationsmittel ausgesetzt.
Hierdurch ist eine noch gründlichere Passivierung möglich. Insbesondere kann dadurch bewirkt werden, dass die beim Abreinigungsvorgang sich lösenden Filterablagerungen, die in einem Sammelbehälter gesammelt werden, zumindest teilpassiviert sind, so dass deren Handhabung erleichtert wird und die Anforderungen an nachfolgende Passivierungsvorgänge geringer sind.
Beispielsweise kann dem für die Abreinigung per Gasdruckstoß verwendeten Gas bereits eine gewisse Menge an Oxidationsmittel zugesetzt sein, z.B. indem ein sauerstoffhaltiges Gas für den Gasdruckstoß verwendet wird. Infolge des Gasdruckstoßes entsteht eine starke Konvektion, die die Reaktion beschleunigt. Daher muss zur Vermeidung einer unkontrollierten Oxidationsreaktion die Oxidationsmittelmenge gering gehalten werden, z.B. ein O₂-Anteil am Gas zwischen 0,5 Vol.-% und 2 Vol.-% gewählt werden.
Weiter bevorzugt wird das Filterelement nach dem Ende des Gasdruckstoßes während einer Zeitspanne, die größer oder gleich 1 Minute, bevorzugt größer oder gleich 10 Minuten, besonders bevorzugt größer oder gleich 15 Minuten, und/oder kleiner oder gleich 180 Minuten, bevorzugt kleiner oder gleich 60 Minuten, noch bevorzugter kleiner oder gleich 30 Minuten, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 Minuten dem Oxidationsmittel ausgesetzt.
Die ideale Zeitspanne hängt u.a. vom Material der Filterablagerungen ab, kann im Zweifelsfall jedoch durch eine begrenzte Anzahl an Vorversuchen auf einfache Weise ermittelt werden.
Weiter bevorzugt wird das Oxidationsmittel in einem Gasstrom der Filterkammer zugeführt und der Sensor ist bezogen auf diesen Gasstrom stromabwärts eines Filterelements in der Filterkammer angeordnet. Mit dieser Anordnung des Sensors an der der Oxidationsmittelzuführung abgewandten Seite des Filterelements kann besonders präzise ermittelt werden, in welchem Umfang der Oxidationsmittelgehalt durch Oxidationsvorgänge verringert wird. Dies gilt sowohl für den Fall, in dem der Oxidationsmittelgehalt stromabwärts des Filterelements mit dem Gehalt des Oxidationsmittels in einem der Filterkammer zugeführten, das Oxidationsmittel enthaltenden, Gas verglichen wird, als auch für den Fall, in dem ein zeitlicher Verlauf der Oxidationsmittelkonzentration in der Filterkammer ermittelt wird. Es sei bemerkt, dass der Sensor nicht zwingend in der Filterkammer selbst, sondern bezogen auf den das Oxidationsmittel enthaltenden Gasstrom alternativ auch stromabwärts der Filterkammer angeordnet sein kann.
Weiter bevorzugt wird das Oxidationsmittel in einem Gasstrom der Filterkammer zugeführt und der Sensor ist bezogen auf diesen Gasstrom stromaufwärts eines Filterelements in der Filterkammer angeordnet.
Diese Anordnung des Sensors hat den Vorteil, dass der Sensor nicht so leicht durch Filterablagerungen verschmutzt werden kann und eine Reaktionswahrscheinlichkeit des Sensors mit Kondensatpartikeln herabgesetzt ist. Der Sensor kann dabei in der Filterkammer oder außerhalb der Filterkammer angeordnet sein. Dabei hat aber eine Anordnung nahe am Filterelement den Vorteil, dass die Oxidationsmittelkonzentration einen Gradienten aufweisen kann und nahe am Filterelement einen anderen Wert aufweisen kann als entfernt davon. Die Messung nahe am Filterelement liefert daher präzisere Ergebnisse.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer additiven Herstellvorrichtung, die aufweist:

eine Prozesskammer zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts und
ein Umwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer geleitet wird,

wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird, indem in der Prozesskammer ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgebracht wird und das Aufbaumaterial durch Zufuhr von Strahlungsenergie zu Verfestigungsstellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird,

Mittels solch eines additiven Herstellverfahrens wird für besonders gründliche Passivierung der Filterelemente gesorgt, wodurch die Sicherheit beim Betrieb der additiven Herstellvorrichtung erhöht wird, da die Gefahr von Filterbränden oder von spontan mit Luftsauerstoff reagierenden Filterablagerungen deutlich reduziert wird.
Eine erfindungsgemäßen Steuervorrichtung eines Verfahrens zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung,
wobei die additive Herstellvorrichtung eine Prozesskammer zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts und
ein Umwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer geleitet wird, aufweist,
wobei das Umwälzsystem mit einer Filteranlage mit zumindest einer Filterkammer verbunden ist, welche ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält,
ist so ausgelegt, dass sie auf ein Aufforderungssignal hin veranlasst, dass zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Die einzelnen Komponenten der Steuervorrichtung können dabei alleine durch Software oder aber alleine durch Hardware oder aber mittels einer Mischung aus Hardware- und Softwarekomponenten implementiert werden. Die Steuervorrichtung kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Desweiteren muss die Verbindung zwischen Steuervorrichtung und gesteuerten Komponenten nicht notwendigerweise kabelgestützt sein, sondern kann auch mittels Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen implementiert werden, indem die Steuervorrichtung entsprechende Empfänger und Sender aufweist.
Bevorzugt ermittelt die Steuervorrichtung selbsttätig, ob ein Filterelement in einer Filterkammer abzureinigen und/oder einem Oxidationsmittel auszusetzen ist. In diesem Fall erzeugt die Steuervorrichtung selbst das Anforderungssignal. Der Bedarf für eine Abreinigung und/oder Oxidation des Filterelements in der Filterkammer kann beispielsweise so ermittelt werden, dass eine Zeitdauer, die seit Beendigung des zuletzt durchgeführten Oxidationsvorgangs an dem Filterelement verstrichen ist, überwacht wird, sodass bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximalzeitdauer ein Anforderungssignal erzeugt wird. Alternativ kann eine Druckdifferenz zwischen einer Reingasseite und einer Rohgasseite eines Filterelements ermittelt werden und bei Überschreiten eines im Vorhinein festgelegten Differenzwertes ein Anforderungssignal erzeugt werden.
Eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung mit:

einer Prozesskammer zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten,
einem Umwälzsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer geleitet wird, und
einer Filteranlage, die so mit dem Umwälzsystem verbunden ist, dass sie von dem Schutzgas durchströmt wird,
wobei die Filteranlage zumindest eine Filterkammer aufweist, die zumindest ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom enthält, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist,
wobei die Filterkammer einen Einlass zum Zuführen eines Oxidationsmittels aufweist,
wobei die Filterkammer zumindest ein Absperrelement zur gasdichten Abschottung der Filterkammer gegenüber dem Umwälzsystem aufweist,
weist eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung auf.

Ein Absperrelement kann insbesondere durch ein Quetschventil sowohl auf der Eintrittsseite des Schutzgases in die Filterkammer als auch auf der Austrittsseite des Schutzgases aus der Filterkammer implementiert sein. Durch das Vorhandensein des zumindest einen Absperrelements kann die Filterkammer während der Abreinigung und der kontrollierten Oxidation von der Prozesskammer gasdicht abgeschottet werden, um Beeinträchtigungen der Bauqualität, insbesondere durch den Zutritt von Oxidationsmittel in die Prozesskammer zu vermeiden.
Bevorzugt wird der Filteranlage Schutzgas aus mindestens einer weiteren additiven Herstellvorrichtung zugeführt. Dadurch kann eine Filteranlage, die mehrere Filterkammern und Filterelemente enthalten kann, effizient genutzt werden.
Bevorzugt weist bei der erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung die Filteranlage zumindest eine weitere Filterkammer auf, die zumindest ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom enthält, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist,
wobei die zumindest eine weitere Filterkammer einen Einlass zum Zuführen eines Oxidationsmittels aufweist,
wobei die zumindest eine weitere Filterkammer zumindest ein Absperrelement zur gasdichten Abschottung der Filterkammer gegenüber dem Umwälzsystem aufweist, und
wobei die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auf ein Anforderungssignal hin mindestens eine der Filterkammern gegenüber dem Umwälzsystem abschottet, um der mindestens einen Filterkammer für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne ein Oxidationsmittel zuzuführen oder für eine durch einen Sensor zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration in der Filterkammer gesteuerte Zeitspanne der Filterkammer ein Oxidationsmittel zuzuführen.
Beim Vorhandensein einer Mehrzahl von Filterkammern, die jeweils mit der Prozesskammer verbunden werden können, kann ein Absperrelement auch eine Verzweigung sein, die es gestattet, wechselweise die eine oder die andere Filterkammer oder aber auch gegebenenfalls eine Mehrzahl der Filterkammern gasdicht gegenüber dem Umwälzsystem (insbesondere der Prozesskammer) abzuschotten.
Mittels solch einer additiven Herstellvorrichtung wird es möglich, eine Abreinigung an einem Filterelement in einer Filterkammer durchzuführen, während ein Herstellvorgang in der Prozesskammer ohne Unterbrechung fortgesetzt wird.
Bevorzugt ist die Steuervorrichtung so ausgelegt, dass sie sicherstellt, dass zumindest eine Filterkammer von dem Schutzgasstrom durchströmt wird, wenn in der Prozesskammer ein Herstellvorgang abläuft.
Eine derartige additive Herstellvorrichtung ist in der Lage, die ungestörte Fortsetzung eines Herstellvorgangs in der Prozesskammer sicherzustellen, falls ein Anforderungssignal für einen Abreinigungs-/Oxidationsvorgang am Filterelement erzeugt wird.
Weiter bevorzugt ist die Steuervorrichtung so ausgelegt, dass sie vor der Zufuhr von Oxidationsmittel in eine der gegenüber dem Umwälzsystem abgeschotteten Filterkammern eine Abreinigung des Filterelements in dieser Filterkammer mittels Gasdruckstoß veranlasst.
Bei einer derartigen Auslegung der Steuervorrichtung wird sichergestellt, dass tiefsitzende Ablagerungen an dem Filterelement oxidiert werden können.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines (Schutzgas)-Umwälzsystem.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines (Schutzgas)-Umwälzsystem.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Abreinigung eines Filterelements.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Oxidationsvorgangs an einem Filterelement.

Nachfolgend wird mit Bezug auf 1 zunächst ein grundlegender Aufbau einer additiven Herstellvorrichtung, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, am Beispiel einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben. Die in 1 dargestellte Laserschmelzvorrichtung 1 enthält zum Aufbauen eines Objekts 2 eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
In der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5 mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 10 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 10, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld bezeichnet wird.
In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, an dem eine Grundplatte 8 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 8 kann eine getrennt von dem Träger 7 gebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte 8 noch eine Bauplattform 9 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch direkt auf der Grundplatte 8 aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient. In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 9 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 10 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 11.
Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 12 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges oder pastoses Aufbaumaterial 13 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 14 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 13 innerhalb des Baufelds.
Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 14 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich.
An ihrer Oberseite enthält die Wandung 4 der Prozesskammer 3 ein Einkoppelfenster 15 für die zum Verfestigen des Pulvers 13 dienende Strahlung 22.
Die Laserschmelzvorrichtung 1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der einen Laserstrahl 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über das Einkoppelfenster 15 auf die Arbeitsebene 10 fokussiert wird.
Weiter weist die Laserschmelzvorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Laserschmelzvorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit, geladen werden kann. In der vorliegenden Anmeldung schließt der Begriff „Steuereinheit“ jede computerbasierte Steuereinheit ein, die in der Lage ist, den Betrieb einer additiven Herstellvorrichtung, insbesondere von Komponenten derselben, zu steuern oder zu regeln. Dabei muss die Verbindung zwischen Steuereinheit und gesteuerten Komponenten nicht notwendigerweise kabelgestützt sein, sondern kann auch mittels Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen implementiert werden, indem die Steuereinheit entsprechende Empfänger und Sender aufweist.
Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Schicht des Aufbaumaterials zunächst der Träger 7 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Danach fährt der Beschichter 14 über das Baufeld und bringt dort eine Schicht Aufbaumaterial 13 auf der Bauunterlage oder einer vorhandenen Schicht bereits selektiv verfestigten Aufbaumaterials auf. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachten Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden so lange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Vorzugsweise kommen metallhaltige Aufbaumaterialien zum Einsatz, beispielsweise eisen- und/oder titanhaltige Aufbaumaterialien, aber auch kupfer-, magnesium-, aluminium-, wolfram-, cobalt-, chrom-, und/oder nickelhaltige Materialien. Die genannten Elemente können zum einen annähernd in Reinform (mehr als 80 Gewichtsprozent des Aufbaumaterials ausmachend) oder aber als Bestandteil von Legierungen vorliegen.
Beim Bestrahlen mit dem Laserstrahl entstehen je nach Art des verwendeten Materials, insbesondere beim Sintern oder Schmelzen von Metallpulver, Spratzer, Rauche, Dämpfe und/oder Gase, die sich in die Prozesskammer hinein ausbreiten und den Herstellvorgang beeinträchtigen, auch als Schweißrauch bezeichnet. Um solche Beeinträchtigungen des Herstellvorgangs zu vermeiden, wird ein Schutzgasstrom über die Arbeitsebene 10 geleitet. Zum Erzeugen eines laminaren Gasstroms 33 oberhalb der Arbeitsebene 10 enthält die Lasersintervorrichtung 1 daher einen Gaszuführkanal 31, eine Gaseinlassdüse 32, eine Gasauslassdüse 34 und einen Gasabführkanal 35. Auch die Gaszufuhr und -abfuhr kann durch die Steuereinheit 29 gesteuert werden. Über den Gasabführkanal 35 wird das aus der Prozesskammer 3 austretende Gas einer Filteranlage 40 zugeführt, die insbesondere metallische Verunreinigungen aus dem Schutzgas herausfiltert und danach über den Gaszuführkanal 31 wieder der Prozesskammer 3 zugeführt. Dadurch wird ein Umwälzsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf ausgebildet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein (Schutzgas)-Umwälzsystem. Die Filteranlage 40 enthält dabei eine Filterkammer 41, in der eine Anzahl schematisch dargestellter Filterelemente 43 für die Filterung des über den Gasabführkanal 35 und den Gaseinlass 36 zugeführten Gasstroms (im Folgenden auch manchmal als Rohgas bezeichnet) dient. Als Filterelemente können z.B. Gewebefilter mit 20µm Polyesterfasern oder PE-Sinterfilter zum Einsatz kommen. Das gefilterte Gas (im Folgenden auch manchmal als Reingas bezeichnet) wird über den Gasauslass 37 und den Gaszuführkanal 31 wieder der Prozesskammer 3 zugeführt, wo es am in der Kammerwandung 4 angeordneten Gaseinlass 32 eintritt. Bevorzugt ist der Gaseinlass so ausgestaltet, dass der zugeführte Gasstrom nicht direkt auf ein Filterelement gerichtet wird. Beispielsweise kann das Gas seitlich in die Filterkammer auf eine Kreisbahn geführt werden. Dadurch wird ein Zykloneffekt genutzt und größere Partikel, z.B. mit transportierte Bestandteile des Aufbaumaterials (z.B. Metallpulver) gelangen erst gar nicht zum Filterelement.
Zum Herbeiführen einer Gasströmung ist in dem Gaskreislauf eine Gasfördereinrichtung 50, z.B. ein Umwälzgebläse, angeordnet, wobei die Strömungsrichtung im Gaskreislauf durch Pfeile angedeutet ist. Nicht in der Figur gezeigt sind ein bevorzugt vorhandener Feinfilter, der stromaufwärts der Gasfördereinrichtung 50 angeordnet ist, sowie ein optionaler Partikelabscheider im Gasabführkanal 35.
An einem Gewebe des Filterelements 43 lagern sich im Laufe der Zeit die herausgefilterten Partikel an. Sie werden durch den von dem Schutzgasstrom ausgeübten Druck verdichtet und können je nach Material und Temperatur agglomerieren. So bildet sich im Lauf der Zeit ein Filterbelag aus einer Schicht verdichteter und/oder aneinander haftender Partikel, der im Allgemeinen als „Filterkuchen“ bezeichnet wird. Er behindert den Schutzgasstrom und führt zu einem immer größer werdenden Druckabfall an dem Filter, also zu einer Erhöhung der Druckdifferenz zwischen der Rohgas- und Reingasseite des Filterelements, also zwischen dem Bereich 45 (Rohgasseite) zwischen Gaseinlass 36 und Filterelement 43 und dem Bereich 44 (Reingasseite) zwischen dem Filterelement 43 und dem Gasauslass 37.
Eine erhöhte Druckdifferenz führt zu einer höheren Verlustwärme der Gasfördereinrichtung 50, was die Schutzgastemperatur in unerwünschte Weise ansteigen lässt. Das Filterelement 43 muss daher von Zeit zu Zeit abgereinigt werden, um den Filterkuchen zu entfernen. Das Vorgehen ist hierbei schematisch anhand von 4 gezeigt. In den übrigen Figuren wurden mit einem Abreinigungsvorgang in Zusammenhang stehende apparative Details aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
In 4 ist eine Abreinigungsvorrichtung 70 stromabwärts der parallel zueinander im Gasstrom angeordneten Filter 43 angeordnet, also so, dass sie in Verbindung mit dem Bereich 44 zwischen der Anzahl von Filterelementen 43 und dem Gasauslass 37 gebracht werden kann. Sie kann beispielsweise einen Druckbehälter mit unter Druck stehendem Schutzgas enthalten, aus dem bei Bedarf einzelne Gasdruckstöße entnommen werden.
Zum Abreinigen der Filterelemente 43 wird von der Abreinigungsvorrichtung 70 ein Gasdruckstoß erzeugt, der über die Abreinigungsdüse 71 in den Bereich 44 eingeleitet wird. Dieser Gasdruckstoß hat beispielsweise einen Spitzendruck von 5 bar und durchdringt ein abreinigbares Filterelement 43 entgegen der normalen Filterrichtung, in der das zu filternde Schutzgas durch das Filterelement 43 fließt. Dadurch wirkt der Gasdruckstoß von der Auslassseite des Filterelements 43 aus auf den Filterkuchen ein. Dieser wird dadurch flächig von dem Filterelement 43 gelöst, zerbricht in Schollen und wird durch den Gasdruckstoß von dem Filterelement 43 weggedrückt. Die einzelnen Stücke des Filterkuchens fallen durch die Schwerkraft angezogen nach unten und gelangen in einen Sammeltrichter 72, in dessen unterem Abschnitt sich ein Verschluss 73, z.B. eine Irisblende oder ein pneumatisch/elektrisch angesteuerte Scheibenklappe, befindet, mit dem der Sammeltrichter 72 gasdicht nach unten abgeschlossen werden kann. Darunter befindet sich ein Auffangbehälter 74 (manchmal auch als Abfallbehälter bezeichnet). Optional ist ein Passivierungsstutzen 75 vorgesehen, der zum Einfüllen von Passivierungsmaterial in den Auffangbehälter 74 dienen kann. Auf das Einbringen von Passivierungsmaterial kann aber auch verzichtet werden. Weiterhin kann optional ein (in der Figur nicht gezeigter) Schutzgasstutzen zum Einleiten eines Schutzgases, das mit dem in der Prozesskammer verwendeten Schutzgas identisch ist, in den Auffangbehälter 74 vorgesehen werden. Weitere dem Fachmann bekannte apparative Details sind in der schematischen 4 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt, beispielsweise eine zum Inertisieren der Filterkammer verwendete Entlüftung oder ein Füllstandssensor im Auffangbehälter 74.
Das Abreinigen eines Filterelements 43 kann in vorbestimmten Zeitabständen erfolgen, die abhängig von dem in der additiven Herstellvorrichtung ablaufenden Herstellvorgang festgelegt werden, beispielsweise von der Anzahl der Laser und/oder den Betriebsdauern der Laser, die zeitgleich für eine Bestrahlung des Aufbaumaterials verwendet werden. Das Abreinigen kann aber auch verschmutzungsabhängig durchgeführt werden, beispielsweise indem die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten des Filterelements, also zwischen dem Bereich 44 und dem Bereich 45, gemessen wird, die sich durch die Verschmutzung erhöht. Es können auch verschieden starke Druckstöße für das Abreinigen der Filterelemente verwendet werden, z.B. schwächere Druckstöße für geringere Verschmutzungen und stärkere Druckstöße für größere Verschmutzungen.
Durch die Abreinigungsvorgänge sammeln sich Filterabfälle in dem Auffangbehälter 74 an, so dass dieser von Zeit zu Zeit entleert werden muss. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Verschluss 73 geschlossen wird und der Auffangbehälter 74 mit einem gasdichten Deckel hermetisch verschlossen wird, der Filteranlage 40 entnommen wird. Anschließend wird ein leerer Auffangbehälter 74 wieder in die Filteranlage eingesetzt.
Optional kann vor der Entnahme des Auffangbehälters über den Passivierungsstutzen 75 ein trockenes, rieselfähiges Medium, wie z.B. Quarzsand, als Passivierungsmittel so in den Auffangbehälter 74 gefüllt werden, dass es eine geschlossene Deckschicht bildet und explosionsfähige bzw. reaktive Bestandteile der Filterabfälle gegenüber Sauerstoffzutritt abschirmt. Das Passivierungsmittel ist dabei ein Passivierungsmaterial, das sich von dem (zu filternden bzw. gefilterten) Schutzgas unterscheidet, d. h. es kann insbesondere ein flüssiges und/oder festes Material umfassen, bevorzugt ein schwer oxidierbares Material. Weiterhin optional kann über den Schutzgasstutzen (bevorzugt vor dem Einfüllen des oben genannten Passivierungsmittels) ein Schutzgas in den Auffangbehälter 74 eingeleitet werden. Ein Einleiten des Schutzgases in den Auffangbehälter 74 vor dem Einfüllen des Passivierungsmittels hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Entzündung des Filterabfälle weiter reduziert wird, denn auch das Einfüllen des Passivierungsmaterial bedingt zugleich eine gewisse Zufuhr kinetischer Energie in den Auffangbehälter 74. Weiterhin optional wäre eine Zufuhr von oxidierendem Gas in den Auffangbehälter 74 denkbar, durch welches eine dünne Oxidschicht (einige nm) an Kondensatpartikeln erzeugt wird, um diese zu passivieren.
Die Zugabe von Passivierungsmittel führt dazu, dass der Auffangbehälter 74 sich schneller füllt und daher häufiger gewechselt werden muss. Um die hinzugefügte Menge an Passivierungsmittel verringern zu können oder gar ganz darauf verzichten zu können, wird vorliegend eine Passivierung der durch das Filterelement 43 herausgefilterten Partikel bereits am Filterelement selbst durchgeführt. Das Vorgehen wird nachfolgend an 2 erläutert.
Ein Abreinigungsvorgang wird in der Praxis oft nicht zu einer vollständigen Entfernung von Partikeln vom Filterelement 43 führen. Mit der Zeit wird sich daher trotz der Abreinigungen das Filterelement zusetzen, so dass es getauscht werden muss. Daher verfügt die in 2 gezeigte Filterkammer 41 über eine Oxidationsmittelzuführung 62, über die der Filterkammer 41 ein Oxidationsmittel 60 zugeführt werden kann. Vorzugsweise ist die Oxidationsmittelzuführung 62 so angeordnet, dass das Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff, als Bestandteil eines Gasgemisches dem Bereich 44 zugeführt wird, so dass es von der Reingasseite her Zutritt zum Filterelement 43 hat, um dadurch tiefsitzende Verunreinigungen oder (bei einem Membranfilter) an der Oberfläche anhaftende Rückstände oxidieren zu können. Die Oxidationsmittelzuführung geschieht hier nach einem Abreinigungsvorgang, um noch am Filterelement anhaftende Verunreinigungen zu oxidieren. Natürlich kann aber alternativ das das Oxidationsmittel enthaltende Gas auch dem Bereich 45 auf der Rohgasseite zugeführt werden oder (Bezug nehmend auf 4) dem Auffangbehälter 74, sofern der Verschluss 73 geöffnet ist. Insbesondere kann die Oxidationsreaktion durch Energiezufuhr angestoßen werden. Als Energiezufuhrmittel kann z.B. eine Strahlungsheizung zum Einsatz kommen, die das Filterelement erwärmt. Alternativ kann das das Oxidationsmittel enthaltende Gasgemisch in erwärmtem Zustand zugeführt werden oder aber es kann am Filterelement 43 eine Widerstandsheizung, z.B. in Form eines das Filterelement 43 umgebenden Heizgeflechts, angebracht sein.
Der Ablauf eines Oxidationsvorgangs am Filterelement 43 wird nachfolgend anhand des Ablaufdiagramms der 5 erläutert. Der Ablauf wird dabei von einer in 2 dargestellten Steuereinrichtung 80 gesteuert, welche Bestandteil der Steuereinheit 29 sein kann aber nicht muss.
Im Schritt S1 wird zunächst ein Abreinigungsvorgang an dem Filterelement 43 durchgeführt. Während des Abreinigungsvorgangs soll bevorzugt in der Filterkammer 41 eine Inertgasatmosphäre vorhanden sein. Dies kann auch die in der Prozesskammer 3 vorhandene Schutzgasatmosphäre sein, so dass an sich keine Trennung der beiden Atmosphären notwendig ist. Dennoch wird bevorzugt die Filterkammer 41 während des Abreinigungsvorgangs gasdicht gegenüber der Prozesskammer 3 abgeschottet, um eine Rückwirkung des Gasdruckstoßes auf die Prozesskammer zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch Verschließen der Absperrventile 53 und 54 in 2 durch die Steuereinrichtung 80 geschehen. Es sei hier bemerkt, dass die Darstellung in 2 schematisch ist und die Absperrventile 53 und 54 auch nahe der Filterkammer 41 angeordnet sein können, selbst wenn die Darstellung etwas anderes suggeriert.
Im Schritt S2 veranlasst die Steuereinrichtung 80 den Zutritt des Oxidationsmittels 60, in der Regel in der Form eines sauerstoffhaltigen Gases, z.B. ein Ar-O₂-Gemisch, (im folgenden auch als Reaktionsgas bezeichnet), über die steuerbare Oxidationsmittelzuführung 62 dergestalt, das nach Ablauf einer vordefinierten Zeitspanne (z.B. 20 Minuten) nach dem Ende eines für die Abreinigung eingesetzten Gasdruckstoßes die Gasatmosphäre in der Filterkammer einen vordefinierten Sauerstoffanteil (z.B. 5 Vol.-% Sauerstoff, man kann aber auch mit anderen Sauerstoffanteilen, die größer oder gleich 1 Vol-% und/oder kleiner oder gleich 20 Vol% sind, arbeiten) aufweist. Insbesondere kann eine in der Kammer vorhandene Gasatmosphäre mit Sauerstoff angereichert werden. Im vorliegenden Beispiel wird der Sauerstoffgehalt innerhalb von 20 Minuten linear von 0,1 Vol.-% auf 5 Vol.-% erhöht.) aufweist. Zum einen kann dies dadurch geschehen, dass das Oxidationsmittel erst nach Ablauf einer vordefinierten Wartezeit zugeführt wird. Zum anderen kann die Menge des zugeführten Oxidationsmittels so gesteuert werden, dass der Sauerstoffanteil in der Filterkammer stetig mit der Zeit anwächst und am Ende des vordefinierten Zeitraums der vordefinierte Sauerstoffanteil erreicht wird. Beide Vorgehensweisen sind miteinander kombinierbar. Bevorzugt wird für einen nicht zu abrupten Anstieg des Sauerstoffanteils gesorgt. Dadurch kann die durch den Oxidationsvorgang entstehende Reaktionswärme hinreichend schnell abgeführt werden, so dass für einen kontrollierten Oxidationsvorgang gesorgt ist. Hierbei kann die Reaktionswärme z.B. mit dem Reaktionsgas (also dem Gas mit dem das Oxidationsmittel zugeführt wurde, wobei jedoch die Oxidationsmittelmenge in der Regel verringert ist) über einen Reaktionsgas-Auslass 63 abgeführt werden.
Sofern die Absperrventile 53 und 54 nicht bereits für die Durchführung der Abreinigung geschlossen wurden, sollte dies durch die Steuereinrichtung 80 vor der Zuführung des Oxidationsmittels geschehen, da in aller Regel das Vorhandensein eines Oxidationsmittels (Sauerstoff) in der Prozesskammer unerwünscht ist.
Im Schritt S3 wird zunächst die Oxidationsmittelzufuhr nach Ablauf einer im Vorhinein festgelegten Oxidationszeit durch die Steuereinrichtung 80 gestoppt und anschließend die Filterkammer mit einem Inertgas, dessen Zusammensetzung bevorzugt mit der Zusammensetzung des in der Prozesskammer verwendeten Schutzgases identisch ist, gespült. Das Inertgas kann hierbei über die Oxidationsmittelzuführung 62 zugeführt werden und über den Reaktionsgas-Auslass 63 die Filterkammer 43 wieder verlassen. Alternativ kann das Inertgas auch über einen in 4 nicht gezeigten Schutzgasstutzen, der zum Einleiten eines Schutzgases in den Auffangbehälter 74 vorgesehen ist, der Filterkammer zugeführt werden.
Statt eine im Vorhinein festgelegte Oxidationszeit abzuwarten, kann auch der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre im Bereich 45 an der der Oxidationsmittelzufuhr abgewandten Seite des Filterelements 43 mittels eines Sauerstoffsensors 90 gemessen werden. Der Sauerstoffgehalt im Bereich 45 wird solange niedriger sein als der Sauerstoffanteil im über die Oxidationsmittelzuführung 62 zugeführten Reaktionsgas, solange eine merkliche Oxidationsreaktion am Filterelement 43 stattfindet. Die Oxidationsmittelzufuhr kann damit auch erst dann gestoppt werden, wenn die Abweichung des vom Sensor 90 gelieferten Sauerstoffanteils vom Sauerstoffanteil im über die Oxidationsmittelzuführung 62 zugeführten Reaktionsgas einen bestimmten Wert unterschreitet. Es sei angemerkt, dass der Sensor statt im Bereich 45 auch stromabwärts des Reaktionsgas-Auslasses 63 angeordnet sein kann. Auch die Verwendung einer Mehrzahl von Sensoren 90, z.B. einer im Bereich 45 auf der der Oxidationsmittelzuführung 62 abgewandten Seite des Filterelements 43 und einer im Bereich 44 auf der der Oxidationsmittelzuführung 62 abgewandten Seite des Filterelements 43, ist denkbar.
Im Schritt S4 werden, nachdem der Sauerstoffanteil in der Filterkammer 43, insbesondere im Bereich 44, nicht mehr über jenem in der Prozesskammer 3 liegt, die Absperrventile 53 und 54 durch die Steuereinrichtung 80 wieder geöffnet, so dass das Filterelement 43 erneut für die Filterung des Schutzgases zur Verfügung steht.
Nach einer Anzahl von Abreinigungsvorgängen muss das Filterelement 43 ausgetauscht bzw. ersetzt werden, da sich mit zunehmender Betriebsdauer vermehrt nicht durch den Gasdruckstoß abreinigbare Verschmutzungen an dem Filterelement 43 anlagern bzw. der Filterkuchen nicht mehr ausreichend durch den Gasdruckstoß von dem Filterelement abgelöst werden kann. Der Zeitpunkt zum Auswechseln eines abreinigbaren Filterelements ist u.a. abhängig von den für den Bauvorgang verwendeten Prozessparametern, wie z.B. Belichtungsstrategien, Laserparametern, etc. sowie dem verwendeten Aufbaumaterial. Die Steuereinrichtung 80 kann z.B. während eines Herstellvorgangs in der Prozesskammer in regelmäßigen Zeitabständen eine Druckdifferenz zwischen der Rohgas- und Reingasseite des Filterelements 43, also zwischen dem Bereich 45 zwischen Gaseinlass 36 und Filterelement 43 und dem Bereich 44 zwischen dem Filterelement 43 und dem Gasauslass 37 ermitteln und bei Überschreiten eines Schwellenwertes ein Filtertauschsignal ausgeben, dass einem Bediener einen Filterwechselbedarf anzeigt. Alternativ kann die ermittelte Druckdifferenz nach Durchführung des soeben beschriebenen Oxidationsverfahrens am Filterelement 43 als Grundlage für die Entscheidung, dass das Filterelement gewechselt werden muss, herangezogen werden. Es bietet sich in jedem Fall an, ein Filterelement dann auszutauschen, wenn vorher das soeben beschriebene Oxidationsverfahrens am Filterelement durchgeführt wurde. Optional kann das Filterelement aber auch nach dem Oxidationsverfahren noch mittels eines oder mehrerer Druckstöße abgereinigt werden, bevor es entnommen wird. Der Austauschvorgang des Filterelements, also die Ersetzung desselben durch ein Austausch-Filterelement, insbesondere ein neues Filterelement, entspricht dem Schritt S5 in 5.
Beim vorliegenden Verfahren bedarf es nicht einer Umhüllung des Filterelements, wenn dieses entnommen wird. Insbesondere kann das Filterelement 43 entnommen werden, während die Filterkammer 41 in der Filteranlage 40 belassen wird. Aufgrund des zuvor durchgeführten Oxidationsverfahrens ist die Gefahr einer Selbstentzündung des Filterelements infolge des Zutritts von Umgebungsluft beim Öffnen der Filterkammer stark herabgesetzt bzw. nicht mehr vorhanden. Beim Stand der Technik ist dies nicht möglich. Dort muss eine Filterelement-Umhausung vorgesehen werden, die das Filterelement bei der Entnahme vor dem Zutritt von Sauerstoff aus der Umgebungsatmospäre (Luft) schützt, worauf beim soeben beschriebenen Vorgehen verzichtet werden kann.
Möchte man dennoch überprüfen, ob es bei der Entnahme des Filterelements 43 und dem Zutritt von Luftsauerstoff zu einer Selbstentzündung kommen kann, so kann optional der Schritt S4a zwischen die Schritte S4 und S5 eingefügt werden.
Im Schritt S4a wird die Reaktionsfähigkeit der Verunreinigungen am Filterelement 43 mit Oxidationsmittel (z.B. Sauerstoff) überprüft. Hierzu wird vor einem Filterwechsel die Filterkammer 41 mit einem Sauerstoff enthaltenden Gas gefüllt, die Zufuhr des sauerstoffhaltigen Gases gestoppt und in der gasdicht abgeschlossenen Filterkammer die Veränderung des Sauerstoffanteils in der Gasatmosphäre in Abhängigkeit von der Zeit mittels des Sensors 90 überprüft. Sofern z.B. innerhalb eines Zeitraums von 15 Minuten keine messbare Veränderung des Sauerstoffanteils feststellbar ist, wird durch die Steuereinrichtung 80 ein Signal ausgegeben, das einem Bediener anzeigt, dass die Filterkammer 41 gefahrlos für einen Filterwechsel geöffnet werden kann. Abhängig von der Gesamtfläche und der Belegung der Filterelemente wird in der Regel dann solch ein Signal ausgegeben, wenn der Sensor ermittelt, dass innerhalb des Zeitraums der Oxidationsmittelgehalt um maximal 5 Vol.-%, bevorzugt maximal 2 Vol.%, noch bevorzugter maximal 1 Vol.-% abgenommen hat, wobei angenommen wird, dass die Messungenauigkeit bei 0,1 Vol.-% liegt.
Sodann kann der Filterwechselschritt S5 von einem Bediener durchgeführt werden. Hierzu sollte dieser bevorzugt vor dem Öffnen der Filterkammer 41 sicherstellen, dass der Verschluss 73 gasdicht verschlossen ist, damit beim Öffnen der Filterkammer 41 kein Sauerstoff aus der Umgebungsluft in den Auffangbehälter 74 gelangen kann und dort unkontrollierte Oxidationsreaktionen hervorrufen kann. Nach dem Einsetzen eines Austauschfilters kann dann der Schritt S4 erfolgen und ein Herstellprozess in der Prozesskammer 3 fortgesetzt bzw. neu gestartet werden.
Während der Filterabreinigungen aber auch während der Oxidationsvorgänge am Filterelement wird in der Regel ein Herstellvorgang in der Prozesskammer unterbrochen. Insbesondere ist dies bei einem Wechsel des Filterelements der Fall, es sei denn, man toleriert eine Fortführung des Herstellvorgangs ohne Reinigung des Schutzgases. Diese Problematik kann vermieden werden, wenn eine Mehrzahl von Filterkammern vorhanden ist, was nachfolgend anhand von 3 erläutert wird.
3 zeigt die beiden Filterkammern 41 a und 41 b, die über die Absperrventile 53a, 54a bzw. 53b, 54b mit der Prozesskammer 3 verbindbar sind. In jeder der beiden Filterkammern 41 a und 41 b kann ein weiter oben beschriebenes Oxidationsverfahrens am Filterelement durchgeführt werden. Aufgrund der Mehrzahl an vorhandenen Filterkammern ergibt sich dabei aber ein geringfügig anderer Verfahrensablauf, dessen Unterschiede zu jenem in 5 nachfolgend erläutert werden.
Zunächst wird hierbei beispielhaft angenommen, dass die Filterkammer 41a mit der Prozesskammer 3 verbunden ist, während in letzterer ein additiver Herstellvorgang abläuft. Dies bedeutet, die Absperrventile 53a und 54a sind geöffnet und der Filterkammer 41 a wird über den Gaseinlass 36a ein Gasstrom zugeführt, der die Prozesskammer 3 an der Gasauslassdüse 34a verlassen hat. Das gefilterte Gas wird über den Gasauslass 37a der Prozesskammer zugeführt, wo es am in der Kammerwandung 4 angeordneten Gaseinlass 32a eintritt. Die Strömungsrichtung in diesem Gaskreislauf ist wieder durch Pfeile angedeutet. Eine zum Herbeiführen einer Gasströmung in dem Gaskreislauf angeordnete Gasfördereinrichtung 50 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3 nicht gezeigt. Während das zu filternde Gas aus der Prozesskammer 3 der Filterkammer 41a zugeführt wird, sind die Absperrventile 53b und 54b geschlossen.
Im Schritt S1 wird zunächst ein Abreinigungsvorgang an dem Filterelement 43a durchgeführt. Während des Abreinigungsvorgangs soll bevorzugt in der Filterkammer 41 a eine Inertgasatmosphäre vorhanden sein. Dies kann die in der Prozesskammer 3 vorhandene Schutzgasatmosphäre sein. Daher werden zur Durchführung des Abreinigungsvorgangs zunächst die Absperrventile 53a und 54a durch die Steuereinrichtung 80 geschlossen, um die Filterkammer 41 während des Abreinigungsvorgangs gasdicht gegenüber der Prozesskammer 3 abzuschotten und dadurch eine Rückwirkung des Gasdruckstoßes auf die Prozesskammer zu verhindern. Gleichzeitig öffnet die Steuereinrichtung 80 die Absperrventile 53b und 54b, um den die Prozesskammer 3 am Gasauslass 34b verlassenden Gasstrom der Filterkammer 41 b über den Gaseinlass 36b zuzuführen. Dadurch kann während des Abreinigungsvorgangs des Filterelements 43a ein Herstellvorgang in der Prozesskammer 3 ohne Unterbrechung fortgesetzt werden, indem das durch das Filterelement 43b gefilterte Gas über den Gasauslass 37b der Prozesskammer zugeführt wird, in die es am in der Kammerwandung 4 angeordneten Gaseinlass 32b eintritt.
Nun können die Schritte S2 und S3 in gleicher Weise wie die oben im Zusammenhang mit 5 beschriebenen Schritt S2 und S3 ablaufen.
Es sei hier bemerkt, dass man an Stelle der beiden Gaseinlässe 32a, 32b auch nur einen Gaseinlass vorsehen kann, indem die Gasströme vor Eintritt in die Prozesskammer 3 (z. B. an der Gasfördereinrichtung 50) zusammengeführt werden. Analoges gilt für die Gasauslässe 34a, 34b. Hier könnten die Gasströme erst an einem Zyklon zum Abscheiden von gröberen Partikeln aufgetrennt werden.
Im Schritt S4 werden, nachdem der Sauerstoffanteil in der Filterkammer 43a nicht mehr über jenem in der Prozesskammer 3 liegt, die Absperrventile 53a und 54a durch die Steuereinrichtung 80 wieder geöffnet, während zeitgleich die Absperrventile 53b und 54b durch die Steuereinrichtung 80 geschlossen werden, sodass nun das Prozessgas aus der Prozesskammer 3 wieder durch das Filterelement 43a gefiltert wird.
Falls das Filterelement 43a ausgetauscht bzw. ersetzt werden muss, wie es oben im Zusammenhang mit 5 anhand der Schritte S4a und S5 beschrieben wurde, kann während des gesamten hierfür erforderlichen Zeitraums ein Herstellvorgang in der Prozesskammer 3 ohne Unterbrechung fortgesetzt werden, indem während dieses Zeitraums das Prozessgas durch das Filterelement 43b gefiltert wird.
Es sei betont, dass auch mehr als zwei Filterkammern vorhanden sein können, von denen dann jeweils eine mit der Prozesskammer verbunden ist, wenn in der Prozesskammer ein Herstellvorgang stattfindet. Ferner muss an der Prozesskammer nicht zwingend jeder Filterkammer ein eigener Gasauslass und -einlass an der Prozesskammer zugeordnet sein. Es ist auch denkbar, unter Verwendung einer Verzweigung jeweils eine aus einer Mehrzahl von Filterkammern mit einem einzigen in der Wandung der Prozesskammer vorhandenen Gaseinlass bzw. Gasauslass zu verbinden.
Abschließend sei noch bemerkt, dass in der vorliegenden Anmeldung der Begriff „Anzahl“ stets im Sinne von „ein oder mehrere“ verwendet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2978589 B1 [0002]
US 20140287080 [0005]
DE 102014207160 A1 [0006]
EP 1527807 [0008]

Claims

Verfahren zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Prozesskammer (3) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) und ein Umwälzsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, aufweist, wobei mit dem Umwälzsystem eine Filteranlage (40) verbunden ist, die zumindest eine Filterkammer (41) aufweist, welche ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält, wobei in dem Verfahren zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Filterkammer (41) während der Abreinigung mittels Gasdruckstoß und während der Zeitspanne, in der das abgereinigte Filterelement einem Oxidationsmittel ausgesetzt ist, von der Prozesskammer gasdicht abgeschottet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Filterkammer (41) mit dem Filterelement (43) nach dem Ende der vorgegebenen oder unter Verwendung des Sensors gesteuerten Zeitspanne wieder in den geschlossenen Gaskreislauf eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während der Zeitspanne, in der das abgereinigte Filterelement einem Oxidationsmittel ausgesetzt ist, die Filterkammer (41) mit der Prozesskammer (3), bevorzugt mit dem gesamten der Bereitstellung des Schutzgas-Kreislaufs dienenden Umwälzsystem, so verbunden ist, dass ein Gasaustausch möglich ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gas im Wesentlichen in der gleichen Richtung auf das Filterelement gerichtet wird, in der auch der Gasdruckstoß auf das Filterelement gerichtet wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein das Oxidationsmittel enthaltendes Gas im Wesentlichen entgegengesetzt der Richtung, in der der Gasdruckstoß auf das Filterelement gerichtet wurde, auf das Filterelement gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem nach dem Ende der Zeitspanne das Filterelement der Filterkammer entnommen, vorzugsweise durch ein unbeladenes Filterelement ersetzt, wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Menge der Partikel auf einem Filterelement ermittelt wird, insbesondere durch Bestimmen einer Druckdifferenz zwischen Ausgangs- und Eingangsseite einer Filterkammer, wenn die Filterkammer sich in dem geschlossenen Gaskreislauf befindet und von dem Schutzgasstrom durchströmt wird, und eine Zufuhrrate des Oxidationsmittels und/oder deren Änderung mit der Zeit in Abhängigkeit von der ermittelten Menge der Partikel auf dem Filterelement gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Filterelement während der Abreinigung mittels Gasdruckstoß zumindest zeitweise einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Filterelement nach dem Ende des Gasdruckstoßes während einer Zeitspanne, die größer oder gleich 1 Minute, bevorzugt größer oder gleich 10 Minuten, besonders bevorzugt größer oder gleich 15 Minuten, und/oder kleiner oder gleich 180 Minuten, bevorzugt kleiner oder gleich 60 Minuten, noch bevorzugter kleiner oder gleich 30 Minuten, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 Minuten dem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Oxidationsmittel in einem Gasstrom der Filterkammer zugeführt wird und der Sensor bezogen auf diesen Gasstrom stromabwärts eines Filterelements in der Filterkammer angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Oxidationsmittel in einem Gasstrom der Filterkammer zugeführt wird und der Sensor bezogen auf diesen Gasstrom stromaufwärts eines Filterelements in der Filterkammer angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels einer additiven Herstellvorrichtung, die aufweist: eine Prozesskammer (3) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) und ein Umwälzsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, wobei das Umwälzsystem mit einer Filteranlage (40) mit zumindest einer Filterkammer (41) verbunden ist, welche ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält, wobei das Objekt mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird, indem in der Prozesskammer (3) ein Aufbaumaterial Schicht auf Schicht aufgebracht wird und das Aufbaumaterial durch Zufuhr von Strahlungsenergie zu Verfestigungsstellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, verfestigt wird, wobei in dem Verfahren zumindest einmal zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Steuervorrichtung eines Verfahrens zur Oxidation von Partikeln auf einem Filterelement einer additiven Herstellvorrichtung, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Prozesskammer (3) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) und ein Umwälzsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, aufweist, wobei das Umwälzsystem mit einer Filteranlage (40) mit zumindest einer Filterkammer (41) verbunden ist, welche ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, enthält, wobei die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auf ein Aufforderungssignal hin veranlasst, dass zunächst das Filterelement mittels Gasdruckstoß abgereinigt wird und anschließend das abgereinigte Filterelement für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne einem Oxidationsmittel ausgesetzt wird oder für eine unter Verwendung eines Sensors zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration gesteuerte Zeitspanne diesem Oxidationsmittel ausgesetzt wird.
Additive Herstellvorrichtung mit: einer Prozesskammer (3) zum Herstellen von dreidimensionalen Objekten, einem Umwälzsystem (31, 32, 33, 34, 35, 40) mit einem geschlossenen Gaskreislauf für ein Schutzgas, das durch die Prozesskammer (3) geleitet wird, und einer Filteranlage, die so mit dem Umwälzsystem verbunden ist, dass sie von dem Schutzgas durchströmt wird, wobei die Filteranlage zumindest eine Filterkammer aufweist, die zumindest ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom enthält, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, wobei die Filterkammer einen Einlass zum Zuführen eines Oxidationsmittels aufweist, wobei die Filterkammer zumindest ein Absperrelement zur gasdichten Abschottung der Filterkammer gegenüber dem Umwälzsystem aufweist, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Steuervorrichtung nach Anspruch 14 aufweist.
Additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Filteranlage (40) Schutzgas aus mindestens einer weiteren additiven Herstellvorrichtung zugeführt wird.
Additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Filteranlage zumindest eine weitere Filterkammer aufweist, die zumindest ein Filterelement (43) zum Filtern von Partikeln in dem Schutzgasstrom enthält, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, wobei die zumindest eine weitere Filterkammer einen Einlass zum Zuführen eines Oxidationsmittels aufweist, wobei die zumindest eine weitere Filterkammer zumindest ein Absperrelement zur gasdichten Abschottung der Filterkammer gegenüber dem Umwälzsystem aufweist, und wobei die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass sie auf ein Anforderungssignal hin mindestens eine der Filterkammern gegenüber dem Umwälzsystem abschottet, um der mindestens einen Filterkammer für eine im Vorhinein festgelegte Zeitspanne ein Oxidationsmittel zuzuführen oder für eine durch einen Sensor zum Erfassen einer Oxidationsmittelkonzentration in der Filterkammer gesteuerte Zeitspanne der Filterkammer ein Oxidationsmittel zuzuführen.
Additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass sie sicherstellt, dass zumindest eine Filterkammer von dem Schutzgasstrom durchströmt wird, wenn in der Prozesskammer ein Herstellvorgang abläuft.
Additive Herstellvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, bei der die Steuervorrichtung so ausgelegt ist, dass sie vor der Zufuhr von Oxidationsmittel in eine der gegenüber dem Umwälzsystem abgeschotteten Filterkammern eine Abreinigung des Filterelements in dieser Filterkammer mittels Gasdruckstoß veranlasst.