DE102022204255A1

DE102022204255A1 - Filtersystem mit individuell abtrennbaren Filterkammern

Info

Publication number: DE102022204255A1
Application number: DE102022204255.7A
Authority: DE
Inventors: Tobias Eberhorn; Ulrich Kleinhans; Jörn Rehsöft; Philip Ströbel
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2023-11-02
Also published as: WO2023209107A1

Abstract

Eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts (2) in einer Prozesskammer (3) einer additiven Herstellvorrichtung, weist ein Gasumwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein durch eine Prozesskammer (3) geleitetes Prozessgas auf, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem (40) mit einer Mehrzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, mindestens drei Filterkammern vorhanden sind, von denen jede zumindest ein Filterelement (43a, 43b, 43c) zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, und eine Gas-Steuervorrichtung (80) zur Steuerung des Gaskreislaufs vorhanden ist, die so eingerichtet ist, dass sie während des ablaufenden Herstellverfahrens eine Anzahl von Filterkammern (41a, 41 b, 41c) von dem Gaskreislauf abtrennen kann und dabei sicherstellen kann, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines additiven Herstellverfahrens, sowie auf ein daran angepasstes additives Herstellverfahren und eine daran angepasste additive Herstellvorrichtung.
Vorrichtungen und Verfahren zur additiven Herstellung dreidimensionaler Objekte werden beispielsweise bei Verfahren verwendet, die als „Rapid Prototyping“, „Rapid Tooling“ und „Additive Manufacturing“ bezeichnet werden. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „selektives Lasersintern“ oder „selektives 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, beispielsweise indem das Aufbaumaterial an diesen Stellen durch die vom Laserstrahl bereitgestellte Energie teilweise oder vollständig geschmolzen wird und die Schmelze anschließend beim Abkühlen erstarrt. Weitere Details sind beispielweise in EP 2 978 589 B1 beschrieben.
Während eines additiven Herstellungsvorgangs wird oftmals in einer Prozesskammer, in der das Aufbaumaterial selektiv mittels Strahlung behandelt wird, eine Prozessgasatmosphäre aufrechterhalten. Bei der Prozessgasatmosphäre handelt es sich in der Regel um eine Inertgasatmosphäre (auch als „Schutzgasatmosphäre“ bezeichnet), da manche Aufbaumaterialien, insbesondere wenn diese metallhaltig sind, bei den auftretenden hohen Temperaturen zur Oxidation neigen, was die Ausbildung von Objekten verhindern oder zumindest die Ausbildung von Objekten mit wunschgemäßem Materialgefüge verhindern würde. Beispielsweise könnte Titan anfangen, bei Anwesenheit von Sauerstoff unkontrolliert zu brennen.
Während des Herstellvorgangs wird infolge der Bestrahlung häufig ein Teil des Aufbaumaterials verdampft, was nach der Wiederverfestigung der entstandenen Dämpfe zur Ausbildung von Kondensaten führt. Ferner wird häufig ein Teil des Aufbaumaterials aufgewirbelt. Darüber hinaus kann es durch die Bestrahlung zu der Entstehung von Spratzern kommen. Dabei handelt es sich in der Regel um erstarrte Tropfen der Schmelze des Aufbaumaterials mit einem Durchmesser zwischen beispielsweise 20 und 300 µm. Spratzer werden beispielsweise bei einem Einstechen des Laserstrahls aus der entstehenden Schmelze bzw. dem Schmelzbad herausgeschleudert.
Die genannten Effekte bei der Bestrahlung des Aufbaumaterials führen auch zu Verunreinigungen in der Prozessgasatmosphäre, die den additiven Herstellvorgang negativ beeinflussen können, insbesondere die Qualität der hergestellten Objekte herabsetzen können. Beispielsweise kann ein das Aufbaumaterial scannender (abtastender) Laserstrahl von in der Prozessgasatmosphäre enthaltenden Verunreinigungen absorbiert, gestreut oder abgelenkt werden. Weiterhin können sich Verunreinigungen auch auf einem Einkoppelfenster für den Laserstrahl niederschlagen oder sich auf der Oberfläche einer Aufbaumaterialschicht ablagern. Um hohen Qualitäts- und Effizienzanforderungen an den Herstellungsprozess zu genügen, müssen solche Verunreinigungen daher möglichst schnell aus der Prozesskammer abtransportiert werden, wofür in der Regel in der Prozesskammer eine Gasströmung erzeugt wird.
Für einen geringen Ressourcenverbrauch wird das Prozessgas, z.B. Argon, in einem Kreislauf geführt. Dies macht es aber erforderlich, das Prozessgas vor der Wiederzufuhr zur Prozesskammer durch Filterung von den Verunreinigungen zu reinigen. Hierfür wird in dem Prozessgaskreislauf eine Filtereinrichtung mit einem geeigneten Filterelement angeordnet. Da die verwendeten Filterelemente im Laufe des Betriebs immer mehr verschmutzen, müssen sie in gewissen Zeitabständen ausgetauscht bzw. ersetzt werden. Dazu wird der Prozessgaskreislauf unterbrochen und das Filterelement entnommen. Nach dem Einsetzen eines neuen Filterelements wird dann der Prozessgaskreislauf erneut in Betrieb gesetzt.
Um den Ressourcenverbrauch noch weiter zu verringern, schlägt DE 10 2014 207 160 A1 vor, eine zyklische Abreinigung eines Filterelements mittels eines Gasdruckstoßes durchzuführen, um das Tauschintervall des Filterelements zu verlängern.
EP 3 321 071 A1 widmet sich dem Problem, dass der Betrieb einer additiven Herstellvorrichtung unterbrochen werden muss, wenn das Filterelement ausgetauscht wird, da ein additiver Bauvorgang nur durchgeführt werden kann, wenn eine Filterung des Prozessgasstroms stattfindet. Zur Lösung des Problems wird eine Schalteinrichtung vorgeschlagen, mittels derer mehrere Filtermodule individuell in einen Betriebszustand, in welchem sie von dem Prozessgas durchströmbar sind, und in einen Nichtbetriebszustand, in welchem sie nicht von dem Prozessgas durchströmbar sind, schaltbar sind. Dadurch kann dafür gesorgt werden, dass während des Austauschs eines Filterelements ein Betrieb der additiven Herstellvorrichtung nicht unterbrochen werden muss.
Die Erfinder haben festgestellt, dass es durch Abreinigungs- und Austauschvorgänge von Filterelementen zu Versätzen und Verfärbungen in den hergestellten Objekten kommen kann, die die Qualität beeinträchtigen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, mittels derer sich die Qualität der hergestellten Objekte verbessern lässt.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre nach den Ansprüchen 1 und 14 sowie durch eine additive Herstellvorrichtung und ein additives Herstellverfahren nach den Ansprüchen 13 und 20. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei können die Verfahren auch durch die in der Beschreibung oder den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein. Ebenso können die Vorrichtungen auch durch die in der Beschreibung oder den abhängigen Verfahrensansprüchen angeführten Merkmale der Verfahren weitergebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts in einer Prozesskammer einer additiven Herstellvorrichtung, bei dem das Objekt hergestellt wird, indem 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, die ein Gasumwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein durch die Prozesskammer geleitetes Prozessgas aufweist, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem mit einer Mehrzahl von Filterkammern angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Filterkammern vorhanden sind, von denen jede zumindest ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, und eine Gas-Steuervorrichtung zur Steuerung des Gaskreislaufs vorhanden ist, die so eingerichtet ist, dass sie während des ablaufenden Herstellverfahrens eine Anzahl von Filterkammern von dem Gaskreislauf abtrennen kann und dabei sicherstellen kann, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt.
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. Für die Zufuhr der Strahlungsenergie können beispielsweise einer oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser verwendet werden, beispielsweise auch Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen.
Darüber hinaus ist aber auch eine Anwendung in nicht schichtweise arbeitenden generativen Vorrichtungen möglich, in denen bei einer hohen Prozesstemperatur gearbeitet wird, um Aufbaumaterial mit einem hohen Schmelzpunkt aufzuschmelzen, beispielsweise Laser Cladding-Vorrichtungen. In allen vorstehend genannten 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.
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.
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 Prozessgas im Inneren der Prozesskammer kann es sich insbesondere um ein Inertgas handeln, also beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon, wobei das Prozessgas 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 Prozessgas neben Inertgasen auch weitere Bestandteile aufweist.
Das Gasumwälzsystem weist eine Gasfördereinrichtung, z. B. einen Hochdruckventilator oder Radialventilator, und ein Gasleitungssystem auf, mittels dessen das Gas in einem geschlossenen Kreislauf durch die Prozesskammer hindurchführbar ist, so dass während eines Herstellungsvorgangs eine Gasströmung in der Prozesskammer bereit gestellt werden kann.
Wenn das Gasumwälzsystem betrieben wird, sorgt die Gasfördereinrichtung für einen kontinuierlichen Prozessgasstrom, bei dem Prozessgas, welches durch die Prozesskammer geleitet wurde, einem Filtersystem zugeführt wird und von dem Filtersystem wieder der Prozesskammer zugeführt wird, so dass ein geschlossener Gaskreislauf entsteht. Das Filtersystem enthält dabei zumindest eine Filterkammer, durch welche der Prozessgasstrom geleitet wird. Die Seite der Filterkammer, an der der Prozessgasstrom in die Filterkammer eintritt, wird nachfolgend auch als Rohgasseite bezeichnet. Die Seite der Filterkammer, an der der Prozessgasstrom nach Durchtritt durch ein Filterelement wieder die Filterkammer verlässt, wird nachfolgend auch als Reingasseite bezeichnet.
In jeder Filterkammer befindet sich zumindest ein Filterelement, womit gemeint ist, dass in einer Filterkammer durchaus auch zwei oder mehr Filterelemente vorhanden sein können, an denen nach Abtrennen der Filterkammer von dem Gaskreislauf eine Wartung durchgeführt werden kann.
Die Gas-Steuervorrichtung 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 Gas-Steuervorrichtung geladen werden kann. Alternativ ist es auch möglich, die Gas-Steuervorrichtung in Form eines Steuerprogramms zu implementieren, das von einer der Steuerung des additiven Herstellvorgangs in einer additiven Herstellvorrichtung dienenden Steuereinheit ausgeführt wird. Voraussetzung hierfür ist dann, dass die entsprechende Steuereinheit mittels Verbindungsleitungen oder drahtlos mit den Hardwarekomponenten verbunden ist, mittels derer Filterkammern von dem Gaskreislauf abgetrennt werden können. Eine drahtlose Verbindung kann mittels Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen implementiert werden, indem die Steuereinheit entsprechende Empfänger und Sender aufweist.
Die Sicherstellung, dass eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt, kann beispielsweise über eine in der Gas-Steuervorrichtung enthaltene Kontrolleinheit bewerkstelligt werden. Es wurde festgestellt, dass durch diese Sicherstellung die Qualität der hergestellten Objekte verbessert werden kann. Eine vorläufige Erklärung hierfür ist folgende:

Für eine hohe Qualität der hergestellten Objekte ist es notwendig, dass ein Herstellvorgang möglichst ohne Unterbrechungen abläuft und darüber hinaus während des ablaufenden Herstellvorgangs die Prozessgasströmung möglichst geringen Schwankungen unterworfen ist. Mit anderen Worten, der Volumenstrom im Gaskreislauf sollte möglichst konstant sein. Wenn in einem geschlossenen Gaskreislauf eine Mehrzahl von Filterkammern parallel zueinander angeordnet ist, dann trägt jede Filterkammer infolge des/der in ihr angeordneten Filter(s) zu einem Gesamt-Strömungswiderstand bei, der aus der Parallelschaltung der Strömungswiderstände der einzelnen Filterkammern resultiert. Wenn einzelne Filterkammern von dem Gaskreislauf abgetrennt werden, dann ändert sich schlagartig der Gesamt-Strömungswiderstand. Gerade bei großen Volumenströmen ist die Fähigkeit der Gasfördereinrichtung, die Förderleistung an den veränderten Gesamt-Strömungswiderstand anzupassen, begrenzt. Es kommt daher zu Schwankungen des Volumenstroms durch die Prozesskammer und als Folge davon zu Diskontinuitäten bzw. strukturellen Heterogenitäten in den hergestellten Objekten.

Ein hoher Volumenstrom wird in der Regel von einer hohen Geschwindigkeit des durch die Prozesskammer strömenden Prozessgases begleitet. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird hier garantiert, dass die Prozessgasgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant bleibt, d. h. allenfalls innerhalb eines kleinen Intervalls schwankt. Somit ist für eine gleichbleibende Abfuhr von während des Bauvorgangs entstehenden Verunreinigungen (Spratzer, Rauch, etc.) gesorgt, wenn während eines Herstellvorgangs in der Prozesskammer der additiven Herstellvorrichtung in der erfindungsgemäßen Weise vorgegangen wird. Von der Sicherstellung, dass eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt, kann aber z. B. dann Abstand genommen werden, wenn in der Prozesskammer kein Bauvorgang stattfindet, aber, um zu vermeiden, dass die Prozesskammer von außerhalb kontaminiert wird, dennoch ein Prozessgasstrom in der Prozesskammer aufrechterhalten wird, wenn auch mit verringerter Prozessgasgeschwindigkeit.
Durch die Sicherstellung, dass eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt, können die Schwankungen im Volumenstrom beim Abtrennen von Filterkammern begrenzt werden und somit eine hohe Qualität der hergestellten Objekte sichergestellt werden. Insbesondere gilt dies für hohe Volumenströme, die insofern vorteilhaft sind als die Filterfläche vergrößert werden kann, wodurch sich die Wartungsintervalle der Filterelemente (z. B. eine Abreinigung oder ein Austausch von Filterelementen) verlängern.
Eine Sicherstellung, dass eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt, kann z.B. so umgesetzt werden, dass vor dem Abtrennen einer Filterkammer vom Prozessgasstrom abgeprüft wird, ob durch solch eine Abtrennung die Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern nicht mehr übersteigt, und die Abtrennung nur ausgeführt wird, wenn dies nicht der Fall ist. Mit anderen Worten wird die Überschreitung einer Maximalzahl von zu einem Zeitpunkt vom Prozessgasstrom abgekoppelten Filterkammern durch die Gas-Steuervorrichtung verhindert. Insbesondere kann der Wert dieser Maximalzahl in einem Speicher abgelegt sein und bei Änderung der Gesamtzahl N_total der mit der Prozesskammer verbindbaren Filterkammern angepasst werden.
Es sei noch bemerkt, dass in dieser Anmeldung in Bezug auf die Erfindung oft von einer Abreinigung oder einem Austausch von Filterelementen die Rede ist, die vorliegende Erfindung aber nicht hierauf beschränkt ist. Vielmehr führt sie in allen Fällen zu Vorteilen, in denen -- aus welchen Gründen auch immer -- Filterkammern von dem Gaskreislauf abgetrennt werden sollen oder in diesen zusätzlich eingefügt werden sollen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsweise sind mindestens fünf Filterkammern, jeweils mit mindestens einem Filterelement darin, vorhanden und die Vorrichtung ist ausgelegt, für einen Wartungsvorgang (z. B. eine Abreinigung oder ein Austausch von Filterelementen) eine Mehrzahl von Filterkammern gleichzeitig von dem Gaskreislauf abzutrennen. Damit kann in effizienterer Weise eine Wartung durchgeführt werden, da Filterelemente parallel abgereinigt oder ausgetauscht werden können.
Bei einer speziellen Ausgestaltung weist jede der Filterkammern zumindest ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf auf, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist und/oder ausgetauscht werden kann.
Im Laufe der Zeit bildet sich auf den Filterelementen ein Filterbelag aus einer Schicht verdichteter und/oder aneinander haftender Partikel, der im Allgemeinen als „Filterkuchen“ bezeichnet wird, aus. Dieser Filterkuchen behindert die Gasströmung und führt zu einem immer größer werdenden Druckabfall an dem Filter. Der häufigste Wartungsvorgang an einer Filterkammer ist daher der, den Druckabfall an einer Filterkammer zu verringern. In der Regel geschieht dies durch Abreinigen eines Filterelements mittels eines Gasdruckstoßes. Zusätzlich oder alternativ kann das Filterelement mit den Ablagerungen aus der Filterkammer entnommen und durch ein anderes Filterelement ohne Ablagerungen ersetzt werden. Hierfür muss in der Regel die Filterkammer geöffnet werden, sodass Bestandteile der Umgebungsatmosphäre in die geöffnete Filterkammer und zu dem auszutauschenden Filterelement gelangen können. Das Filterelement selbst weist bevorzugt keine Umhausung zum Verhindern des Zutritts von Umgebungsluft an das Filterelement bei einem Wechsel des Filterelements auf.
Bei einer speziellen Ausgestaltung weist die Mehrzahl von Filterkammern ein im Wesentlichen gleiches Volumen auf und/oder weisen die Filterelemente eine im Wesentlichen gleiche Filterfläche auf und/oder ein gleiches Filtermedium auf und/oder weisen mit der Mehrzahl von Filterkammern jeweils verbundene Zuleitungen und Ableitungen eine im Wesentlichen gleiche Öffnungsquerschnittsfläche auf.
Mit anderen Worten, bevorzugt weisen die Filterkammern mit darin angeordneten Filterelementen ohne Ablagerungen den gleichen Strömungswiderstand auf. Weiter bevorzugt gilt dies für die einzelnen Filterkammerkombinationen bestehend aus Filterkammer und individuellen Zu- und Ableitungen zu/von der Filterkammer. Eine Filterkammerkombination umfasst dabei neben der Filterkammer alle weiteren Elemente, die zusammen mit der Filterkammer parallel zu anderen Filterkammerkombinationen im Gaskreislauf angeordnet sind. Der Strömungswiderstand von Zu- und Ableitungen wird dabei insbesondere durch die (minimale) Öffnungsquerschnittsfläche bestimmt. Ein gleicher Strömungswiderstand kann z.B. so realisiert werden, dass alle Filterkammern, insbesondere alle Filterelemente, einen gleichen Aufbau haben, sodass sie in gleicher Weise zum Gesamt-Strömungswiderstand beitragen, wenn die Filterkammern parallel zueinander in der Strömung angeordnet sind. Insbesondere können auch die Filterelemente aller Filterkammern das gleiche Filtermedium aufweisen, womit gemeint ist, dass die Filterelemente aus dem gleichen Material (z.B. Gewebefilter mit 20µm Polyesterfasern oder PE-Sinterfilter) bestehen und/oder der gleichen Filterklasse angehören.
Bei einer speziellen Ausgestaltung ist die Gas-Steuervorrichtung so eingerichtet, dass sie sicherstellt, dass während des ablaufenden Herstellverfahrens zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, ein Zahlenverhältnis von nicht von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern zu von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern größer oder gleich einem Mindestwert von 55:45, bevorzugt 60:40, weiter bevorzugt 2:1, noch bevorzugter 70:30, noch weiter bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 4:1, ist.
Je größer das Verhältnis zwischen nicht von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern zu von dem Prozess Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern, also zwischen im Betriebszustand des Filterns des Prozessgases befindlichen Filterkammern zu nicht im Betriebszustand des Filterns des Prozessgases befindlichen Filterkammern, ist, desto geringer ist die Schwankung im Volumenstrom, die durch das Abtrennen einer Anzahl von Filterkammern hervorgerufen wird. Bevorzugt kann daher gerade mit steigender Anzahl von Filterkammern, die prinzipiell nicht nach oben begrenzt ist, also im Grunde sogar bis zu einem Wert von einigen Hundert oder bis zum Wert 1000 gehen kann, ein Mindestwert für das Verhältnis vorgegeben werden, der nicht unterschritten werden darf. Beispielsweise kann beim Vorhandensein von 5 Filterkammern ein Mindestwert von 3:2 vorgegeben werden, beim Vorhandensein von 10 Filterkammern ein Mindestwert von 60:40 vorgegeben werden oder beim Vorhandensein von 20 Filterkammern ein Mindestwert von 55:45 vorgegeben werden.
Bei einer speziellen Ausgestaltung sind stets alle im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern in Parallelschaltung zueinander angeordnet.
Es besteht weiterhin die Möglichkeit, dass eine Mehrzahl von Filterkammern hintereinander angeordnet ist und diese Hintereinanderanordnung parallel zu weiteren Filterkammern bzw. weiteren Hintereinanderanordnungen von Filterkammern angeordnet ist. Bei einer Hintereinanderanordnung von Filterkammern können stromaufwärts gelegene Filterelemente eine Vorfilterung des Prozessgases durchführen, sodass stromabwärts gelegene Filterelemente eine Feinfilterung durchführen können. Es ist beispielsweise auch möglich, bei einer Hintereinanderanordnung von Filterkammern nur das/die stromaufwärts gelegenen Filterelement(e) abreinigbar und/oder austauschbar auszulegen.
Bei einer speziellen Ausgestaltung handelt es sich bei den mindestens drei Filterkammern um gasdicht voneinander abgegrenzte Teilräume einer oder mehrerer Hauptkammern des Filtersystems.
Für den im Rahmen der vorliegenden Erfindung wichtigen Gesamt-Strömungswiderstand spielt es keine Rolle, ob die Mehrzahl von Filterkammern räumlich voneinander getrennt ist oder es sich bei der Mehrzahl von Filterkammern um Teilbereiche einer einzigen Kammer, der Hauptkammer, handelt. Wichtig im letztgenannten Fall ist lediglich, dass die Teilbereiche gasdicht voneinander abgegrenzt sind, damit die einzelnen Filterkammern unabhängig voneinander gegenüber dem Gaskreislauf abgeschottet werden können. Ebenfalls sollte bei einer räumlichen Trennung der Filterkammern dafür gesorgt werden, dass die Strömungswiderstände der einzelnen Filterkammern nicht dadurch zu unterschiedlich voneinander sind, dass die Zu- und Ableitungen der einzelnen Filterkammern sich zu stark im Strömungswiderstand unterscheiden. Schließlich ist es auch möglich, eine Mehrzahl von voneinander räumlich getrennten Hauptkammern mit Teilbereichen darin vorzusehen, wobei die Teilbereiche jeweils als Filterkammer dienen.
Bei einer speziellen Ausgestaltung ist für jede der mindestens drei Filterkammern stromaufwärts eine Schalteinheit und/oder stromabwärts eine Schalteinheit vorgesehen, mittels der jeweils diese Filterkammer getrennt von den anderen Filterkammern gegenüber dem Gaskreislauf abgeschottet werden kann.
Die Gas-Steuervorrichtung ist bevorzugt so ausgelegt, dass sie ein oder mehrere Schalteinheiten bzw. Ventile stromaufwärts und/oder ein oder mehrere Schalteinheiten bzw. Ventile stromabwärts der Mehrzahl von Filterkammern ansteuern kann. Dadurch kann, beispielsweise bei Wartungsvorgängen an den Filterkammern, die Gas-Steuervorrichtung ein oder mehrere Filterkammern von dem Gaskreislauf abtrennen, sodass das Prozessgas dann nurmehr durch die noch im Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern strömt. Bei einer Schalteinheit kann es sich insbesondere um ein steuerbares Ventil, z.B. ein Quetschventil, handeln. Die Schalteinheiten können entweder über Verbindungsleitungen oder drahtlos angesteuert werden. Dies kann unabhängig von einem in der additiven Herstellvorrichtung ablaufenden Herstellverfahren geschehen.
Obwohl es möglich ist, mehrere Filterkammern gemeinsam gegenüber dem Gaskreislauf abzuschotten, hat man mehr Freiheiten, wenn die Option vorhanden ist, jede Filterkammer separat gegenüber dem Gaskreislauf abzuschotten.
Bei einer speziellen Ausgestaltung ist für jede der mindestens drei Filterkammern stromaufwärts und stromabwärts jeweils ein Drucksensor vorgesehen, sodass ein Differenzdruck zwischen einer Rohgasseite und einer Reingasseite eines Filterelements in der Filterkammer ermittelt werden kann.
Durch das Vorsehen von Drucksensoren für jede der Filterkammern kann für jede Filterkammer separat ein Belegungsgrad des Filterelements aus dem Differenzdruck abgeleitet werden und für jede Filterkammer individuell entschieden werden, ob eine Abreinigung oder ein Austausch des Filterelements durchgeführt werden muss. Auch wenn theoretisch neben dem Filterelement noch andere Komponenten die mittels der Drucksensoren ermittelte Druckdifferenz beeinflussen können, so ist es dennoch das Filterelement, welches die vorhandene Druckdifferenz in hohem Maße dominiert.
Bei einer speziellen Ausgestaltung ist zur Ermittlung eines Differenzdrucks zwischen einer Rohgasseite und einer Reingasseite einer Mehrzahl von Filterkammern, bevorzugt aller Filterkammern, ein Drucksensor stromaufwärts einer Gabelung einer Zuleitung des Rohgases zu der Mehrzahl von Filterkammern und ein Drucksensor stromabwärts einer Zusammenführung von Ableitungen des Reingases aus der Mehrzahl von Filterkammern vorgesehen und der Differenzdruck wird durch einen Vergleich der Druckwerte der beiden Drucksensoren ermittelt.
Die verringerte Anzahl an Drucksensoren führt zu einer kostengünstigeren Vorrichtung.
Bei einer noch spezielleren Ausgestaltung ist die Gas-Steuervorrichtung über Signalverbindungen mit den Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts einer Filterkammer verbunden und eingerichtet, eine Abreinigung eines Filterelements zwischen diesen Drucksensoren zu veranlassen, sofern ein von den Drucksensoren entgegen genommener Differenzdruck einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
Bei solch einer Vorgehensweise kann die Vorrichtung selbsttätig dafür sorgen, dass eine Wartung von Filterelementen im Sinne einer Abreinigung oder eines Austauschs derselben stattfindet. Bei einer Signalverbindung kann es sich entweder um eine Signalleitung oder um eine drahtlose Verbindung (beispielsweise über Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen) handeln, die eine Kommunikation zwischen der Gas-Steuervorrichtung und den Drucksensoren erlaubt, insbesondere die Übermittlung von Sensorwerten an die Gas-Steuervorrichtung. Der mittels der beiden Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts ermittelte Differenzdruck gibt pauschal eine Auskunft darüber welchen Belegungszustand die zwischen den Drucksensoren angeordneten Filterelemente aufweisen. Wenn eine Mehrzahl von Filterkammern zwischen den beiden Drucksensoren angeordnet ist, dann können bei Überschreiten des vorgegebenen Maximalwerts in all diesen Filterkammern unter erfindungsgemäßer Berücksichtigung der Anzahl von im Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Filterelemente abgereinigt bzw. ausgetauscht werden.
Bei einer speziellen Ausgestaltung ist stromabwärts des Filtersystems ein Sensor zur Bestimmung eines Volumenstroms des Prozessgases im geschlossenen Gaskreislauf angeordnet, der über eine Signalverbindung mit der Gas-Steuervorrichtung verbunden ist, wobei die Gas-Steuervorrichtung eingerichtet ist, eine Abreinigung eines Filterelements zu veranlassen, sofern ein von dem Sensor entgegengenommener Wert des Volumenstroms einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Ein zu großer Abfall des Volumenstroms des Prozessgases stromabwärts des Filtersystems weist darauf hin, dass das Filtersystem einen zu großen Strömungswiderstand aufgrund einer Belegung von Filterelementen aufweist. Ein zu großer Abfall des Volumenstroms kann zu einer ungenügenden Abfuhr von Verunreinigungen aus der Prozesskammer führen. Wenn der Volumenstromsensor über eine Signalverbindung mit der Gas-Steuervorrichtung verbunden ist, dann kann die Vorrichtung automatisch unerwünschte Schwankungen des Volumenstroms (und damit der Qualität der hergestellten Objekte) beseitigen. Der Sensor zur Bestimmung des Volumenstroms kann dabei alternativ oder aber auch als zusätzliche Sicherung neben Drucksensoren zur Bestimmung eines Differenzdrucks stromaufwärts und stromabwärts von Filterkammern verwendet werden, um eine Abreinigung oder einen Austausch von Filterelementen zu veranlassen. Denkbar wäre dabei auch, den Volumenstromsensor nicht stromabwärts des gesamten Filtersystems anzuordnen, sondern stromabwärts einer Filterkammer oder der Zusammenführung der Ableitungen einer Mehrzahl von Filterkammern, um auf diese Weise alternativ oder zusätzlich zu den Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts der Filterkammern verwendet zu werden. Wenn man zusätzlich zu den Werten des Sensors zur Bestimmung des Volumenstroms noch die an den einzelnen Filterkammern anliegenden Differenzdruckwerte berücksichtigt, dann kann durch das Zusammenwirken der Informationen von den Drucksensoren und dem Sensor für den Volumenstrom ziemlich differenziert entschieden werden, welche Filterelemente wann abzureinigen oder auszutauschen sind.
Bei einer speziellen Ausgestaltung weist das Gasumwälzsystem einen Ventilator auf.
Bei dem Ventilator als Gasfördersystem kann es sich insbesondere um einen Hochdruckventilator handeln. Insbesondere sollte das Gasfördersystem bevorzugt so ausgelegt sein, dass es hinreichend schnell auf Änderungen des Strömungswiderstands reagieren kann (den Volumenstrom hinreichend konstant halten kann), wenn sich der Strömungswiderstand, beispielsweise durch Abtrennen von Filterkammern aus dem Gaskreislauf oder Einbringen von Filterkammern in den Gaskreislauf, abrupt ändert. Insbesondere könnte es sich bei dem Ventilator um einen Radialventilator handeln.
Eine erfindungsgemäße additive Herstellvorrichtung mit einer Prozesskammer zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre auf.
Solch eine additive Herstellvorrichtung gestattet die Herstellung von Objekten mit verbesserter Qualität.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts in einer Prozesskammer einer additiven Herstellvorrichtung, bei dem das Objekt hergestellt wird, indem 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 bei dem Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre ein durch die Prozesskammer geleitetes Prozessgas mittels eines Gasumwälzsystem in einem geschlossenen Gaskreislauf bewegt wird, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem mit einer Mehrzahl von Filterkammern angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Filterkammern vorhanden sind, von denen jede zumindest ein Filterelement zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, und während des ablaufenden Herstellverfahrens eine Anzahl von Filterkammern von dem Gaskreislauf abgetrennt wird, wobei sichergestellt wird, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt.
Hinsichtlich der Einzelheiten und Vorteile solch eines Verfahrens zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre gilt das weiter oben Gesagte zu einer korrespondierenden Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre.
Bei einer speziellen Ausgestaltung wird bei einer im Gaskreislauf angeordneten Filterkammer der an einem in ihr angeordneten Filterelement anliegende Differenzdruck ermittelt und eine Abreinigung an diesem Filterelement durchgeführt, wenn der ermittelte Differenzdruck einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
Insbesondere ist es bei solch einer Vorgehensweise möglich, während eines Herstellverfahrens automatisch, ohne das Erfordernis einer Nutzerüberwachung des Herstellverfahrens, dafür zu sorgen, dass eine Wartung von Filterelementen im Sinne einer Abreinigung oder eines Austauschs derselben stattfindet. Der mittels Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts von Filterkammern ermittelte Differenzdruck gibt Auskunft darüber, welchen Belegungszustand die zwischen den Drucksensoren angeordneten Filterelemente aufweisen. Sofern genau eine Filterkammer zwischen zwei Drucksensoren angeordnet ist, auf die sich die Differenzdruckermittlung stützt, dann kann der Belegungszustand sehr detailliert ermittelt werden. Wenn eine Mehrzahl von Filterkammern zwischen zwei Drucksensoren angeordnet ist, auf die sich die Differenzdruckermittlung stützt, dann können bei Überschreiten des vorgegebenen Maximalwerts in all diesen Filterkammern unter erfindungsgemäßer Berücksichtigung der Anzahl von im Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Filterelemente abgereinigt bzw. ausgetauscht werden.
Bei einer speziellen Ausgestaltung wird das Prozessgas im geschlossenen Gaskreislauf mit einem Volumenstrom bewegt, der einen Wert von 50 m³/h, bevorzugt 100 m³/h, weiter bevorzugt 200 m³/h übersteigt und/oder einen Wert von 2000 m³/h, bevorzugt 500 m³/h, weiter bevorzugt 400 m³/h unterschreitet.
Unter dem Gesichtspunkt eines optimalen Abtransports von durch die Bestrahlung des Aufbaumaterials erzeugten Verunreinigungen der Prozessgasatmosphäre in der Prozesskammer wäre es wünschenswert, einen möglichst hohen Wert für die Volumenstromdichte zu wählen. Andererseits führen hohe Werte der Volumenstromdichte zu einem vermehrten Aufwirbeln von Aufbaumaterial. In der Praxis wird daher der Zielwert für die Volumenstromdichte abhängig von den gewählten Parametern beim Bestrahlen des Aufbaumaterials sowie abhängig von dem verwendeten Aufbaumaterial eingestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird dabei sichergestellt, dass prozentuale Schwankungen des Volumenstroms in Grenzen gehalten werden.
Bei einer speziellen Ausgestaltung wird der Wert eines Volumenstroms des Prozessgases im geschlossenen Gaskreislauf stromabwärts des Filtersystems ermittelt und eine Abreinigung eines Filterelements dann durchgeführt, wenn der ermittelte Wert des Volumenstroms einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Durch eine direkte Überwachung des Volumenstroms des Prozessgases kann unmittelbar erkannt werden, ob der für einen Herstellvorgang von Objekten mit hoher Qualität einzuhaltende Wertebereich für den Volumenstrom verlassen wird. Auf diese Weise kann ein Belegungszustand der Filterelemente in Filterkammern unabhängig von einer Erfassung der Druckdifferenz an den Filterkammern ermittelt werden.
Bei einem erfindungsgemäßen additiven Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts in einer Prozesskammer einer additiven Herstellvorrichtung, 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, wird während des Herstellverfahrens ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre angewandt.
Solch ein additives Herstellverfahren gestattet die Herstellung von Objekten mit verbesserter Qualität.
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 erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre.
3 zeigt die Darstellung von 2, wobei zusätzlich eine beispielhafte Anordnung von Sensoren im Gaskreislauf gezeigt ist.
4 veranschaulicht ein beispielhaftes Vorgehen bei der Abreinigung eines Filterelements.
5 veranschaulicht einen beispielhaften Verfahrensablauf bei einem Austausch oder einer Abreinigung einer Anzahl von Filterelementen.

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 wird 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 ausgebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 ausgebildet 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 desweiteren 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 den zum Verfestigen des Pulvers 13 dienenden Laserstrahl 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 auf, 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.
Wie bereits eingangs erwähnt, entstehen beim Bestrahlen mit dem Laserstrahl abhängig von der Art des verwendeten Aufbaumaterials, 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 Prozessgasstrom über die Arbeitsebene 10 geleitet. Zum Erzeugen einer laminaren Gasströmung 33 oberhalb der Arbeitsebene 10 enthält die Laserschmelzvorrichtung 1 daher einen Gaszuführkanal 31, eine Gaseinlassdüse 32, eine Gasauslassdüse 34 und einen Gasabführkanal 35. Die Gaszufuhr und -abfuhr kann durch eine eigene Gas-Steuervorrichtung 80 gesteuert werden, die in 1 getrennt von der Steuereinheit gezeigt ist, jedoch ist auch eine Steuerung durch die Steuereinheit 29 möglich. Über den Gasabführkanal 35 wird das aus der Prozesskammer 3 austretende Gas einem Filtersystem 40 zugeführt, das (insbesondere metallische) Verunreinigungen aus dem Prozessgas herausfiltert, und danach über den Gaszuführkanal 31 wieder der Prozesskammer 3 zugeführt. Durch den Gaszuführkanal 31, die Gaseinlassdüse 32, die Gasauslassdüse 34, den Gasabführkanal 35 und eine Gasfördereinrichtung 50, z.B. ein Umwälzgebläse, insbesondere ein Hochdruckventilator, wird ein Gasumwälzsystem ausgebildet, das im Betrieb einen geschlossenen Gaskreislauf für ein durch die Prozesskammer geleitetes Prozessgas ermöglicht.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre in der Prozesskammer. Diese Vorrichtung weist neben dem Gasumwälzsystem noch das Filtersystem 40 und die Gas-Steuervorrichtung 80 auf, die bereits in 1 gezeigt waren und in 2 detaillierter gezeigt sind. Das Filtersystem 40 enthält im Beispiel der 2 drei Filterkammern 41 a, 41 b und 41 c, die in der Figur als voneinander gasdicht getrennte Teilräume einer Hauptkammer gezeigt sind, jedoch auch voneinander räumlich getrennte Kammern sein können.
Erfindungsgemäß sind mindestens drei Filterkammern vorhanden. Mit anderen Worten, es kann auch eine größere Anzahl von Filterkammern vorhanden sein als in 2 gezeigt und alle Erläuterungen des erfinderischen Vorgehens in der vorliegenden Anmeldung sind in gleicher Weise auf das Vorhandensein von vier, fünf oder mehr Filterkammern, die parallel zueinander im Prozessgaskreislauf anordenbar sind, anwendbar.
Jede Filterkammer 41a, 41b, 41c enthält ein Filterelement 43a, 43b bzw. 43c. Als Filterelemente können z.B. Gewebefilter mit 20µm Polyesterfasern oder PE-Sinterfilter zum Einsatz kommen. Weiterhin sind in jeder Filterkammer beidseitig des Filterelements 43a, 43b, 43c ein Rohgasraum 44a, 44b bzw. 44c und ein Reingasraum 45a, 45b bzw. 45c vorhanden. Dabei kann das die Verunreinigungen enthaltende Gas (oft als Rohgas bezeichnet) über den Gasabführkanal 35 jedem der Rohgasräume 44a, 44b bzw. 44c zugeführt werden. Das gefilterte Gas (oft als Reingas bezeichnet) wird von jedem der Reingasräume 45a, 45b, 45c über den Gaszuführkanal 31 wieder der Prozesskammer 3 zugeführt, wo es am in der Kammerwandung 4 angeordneten Gaseinlass 32 eintritt.
Die Gaseinlässe der Filterkammern sind bevorzugt 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. mittransportierte Bestandteile des Aufbaumaterials (z.B. Metallpulver) gelangen erst gar nicht zum Filterelement.
Weiterhin zeigt 2 die in dem Gaskreislauf angeordnete Gasfördereinrichtung 50, z.B. ein Hochdruckventilator, 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, z.B. ein Fliehkraftabscheider bzw. Zyklonabscheider, im Gasabführkanal 35.
An dem Gewebe eines Filterelements 43a, 43b bzw. 43c lagern sich im Laufe der Zeit die herausgefilterten Partikel an. Sie werden durch den von dem Prozessgasstrom 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 aus, der im Allgemeinen als „Filterkuchen“ bezeichnet wird. Der Filterkuchen behindert die Gasströmung 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 Rohgasraum 44a, 44b bzw. 44c und dem Reingasraum 45a, 45b bzw. 45c. Die Filterelemente 43a, 43b bzw. 43c müssen daher von Zeit zu Zeit abgereinigt werden, um den Filterkuchen zu entfernen, oder ausgetauscht werden.
Ein beispielhaftes Vorgehen bei der Abreinigung wird anhand von 4 erläutert. Diese zeigt schematisch eine Abreinigungsvorrichtung 70, die in Verbindung mit dem Reingasraum 45a, 45b bzw. 45c eines Filterelements 43a, 43b bzw. 43c gebracht wurde (in der Figur beispielhaft der Reingasraum 45a und das Filterelement 43a).
Zum Abreinigen des Filterelements 43a wird von der Abreinigungsvorrichtung 70 ein Gasdruckstoß erzeugt, der über die Abreinigungsdüse 71 in den Reingasraum 45a eingeleitet wird. Beispielsweise kann hierfür die Abreinigungsvorrichtung 70 einen Druckbehälter mit unter Druck stehendem Schutzgas enthalten, aus dem bei Bedarf einzelne Gasdruckstöße entnommen werden. Ein Gasdruckstoß hat beispielsweise einen Spitzendruck von 5 oder 10 bar und durchdringt das abzureinigende Filterelement 43a entgegen der normalen Filterrichtung, in der das zu filternde Prozessgas durch das Filterelement 43a fließt. Dadurch wirkt der Gasdruckstoß von der Auslassseite des Filterelements 43a aus auf den Filterkuchen ein. Dieser wird dadurch flächig von dem Filterelement 43a gelöst, zerbricht in Schollen und wird durch den Gasdruckstoß von dem Filterelement 43a 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 eine 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 einem in der Prozesskammer verwendeten Schutzgas identisch sein kann, 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 oder ein Drucksensor im Auffangbehälter 74.
Wie in 2 gezeigt, spaltet sich der Gasabführkanal 35 in drei Teilkanäle (ohne Bezugszeichen) auf, über welche das zu filternde Gas den Rohgasräumen 44a, 44b, 44c der Filterkammern 41a, 41b, 41c zugeführt wird. Ebenso werden die Auslässe der Reingasräume 45a, 45b, 45c zusammengeführt, um das gefilterte Gas über den Gaszuführkanal 31 der Prozesskammer 3 zuzuführen. Hierbei kann die Gaszufuhr zu den Rohgasräumen 44a, 44b, 44c über Schalteinheiten 36a, 36b, 36c (z.B. elektromotorisch oder elektromagnetisch betätigbare Ventile) individuell unterbrochen werden. Ebenso kann die Gasabfuhr aus den Reingasräumen 45a, 45b, 45c über Schalteinheiten 37a, 37b, 37c (z.B. elektromotorisch oder elektromagnetisch betätigbare Ventile) individuell unterbrochen werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass bei einem Austausch eines Filterelements keine Umgebungsatmosphäre in die Prozessgasatmosphäre gelangt oder aber bei der Abreinigung von Filterelementen mittels Gasdruckstoß es keine negativen Auswirkungen auf den Druck in der Prozesskammer gibt.
In 2 ist eine Gas-Steuervorrichtung 80 gezeigt, welche mittels gestrichelt dargestellter Steuerleitungen (ohne Bezugszeichen) mit den Schalteinheiten 36a, 36b, 36c und den Schalteinheiten 37a, 37b, 37c verbunden ist, um diese betätigen zu können. Auch wenn in der Figur explizit Steuerleitungen gezeigt sind, so versteht es sich, dass die Kommunikation zwischen Gas-Steuervorrichtung 80 und Schalteinheiten auch drahtlos erfolgen kann, beispielsweise mittels Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen, indem die Steuereinheit und die Schalteinheiten entsprechende Empfänger und Sender aufweisen. Gleiches gilt für die optionale Steuersignalverbindung zwischen Gas-Steuervorrichtung 80 und Gasfördereinrichtung 50.
Für den Fall, dass ein oder mehrere Filterelemente abgereinigt oder ausgetauscht werden sollen, beispielsweise das Filterelement 43a, steuert die Gas-Steuervorrichtung 80 die entsprechenden Schalteinheiten, im Beispiel 36a und 37a, an, um die zugehörige Filterkammer 41a vom Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 abzuklemmen. Dabei stellt die Gas-Steuervorrichtung 80 sicher, dass die Anzahl der im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern die Anzahl der nicht im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern übersteigt. Beispielsweise ist die (z. B. mittels Software implementierte) Steuerung in der Gas-Steuervorrichtung entsprechend ausgelegt. Insbesondere kann sie abprüfen, ob die Anzahl der vom Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 abzuklemmenden Filterkammern größer oder gleich der Anzahl der im Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 verbleibenden Filterkammern ist und, falls dies der Fall ist, automatisch eine geringere Anzahl von Filterkammern vom Gaskreislauf abklemmen. Insbesondere kann dabei auch schrittweise vorgegangen werden. Dies bedeutet, es wird zunächst abgeprüft, ob eine um 1 verminderte Anzahl abzuklemmender Filterkammern immer noch größer oder gleich der Anzahl der dann im Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 verbleibenden Filterkammern ist und falls ja, die Anzahl der abzuklemmenden Filterkammern nochmals um 1 verringert werden, um eine erneute Abprüfung durchzuführen. Erst wenn die Abprüfung ergibt, dass die Anzahl der abzuklemmenden Filterkammern kleiner der Anzahl der im Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern ist, wird dann tatsächlich die aktuelle Anzahl der abzuklemmenden Filterkammern vom Gaskreislauf abgeklemmt.
Zur Ermittlung, wie viele Filterkammern aktuell im Gaskreislauf angeordnet sind und/oder wie viele abgeklemmt sind, kann die Gas-Steuervorrichtung den Schaltzustand der Schalteinheiten 36a, 36b, 36c, 37a, 37b bzw. 37c abprüfen. Ungeachtet dessen kann ein Wert N_max der maximal zulässigen Anzahl von Filterkammern, die gleichzeitig von dem Gaskreislauf abgeklemmt sein dürfen, in einem Speicher, z. B. in der Gas-Steuervorrichtung, abgelegt sein. Die Gas-Steuervorrichtung vergleicht dann z. B. die Anzahl der aktuell vom Gaskreislauf abgeklemmten Filterkammern mit dem Wert N_max und setzt z. B. ein Sperr-Flag, wenn durch das Abklemmen einer weiteren Filterkammer der Wert N_max überschritten würde. Der Wert N_max der maximal zulässigen Anzahl von Filterkammern, die gleichzeitig von dem Gaskreislauf abgeklemmt sein dürfen, kann in Abhängigkeit der Gesamtzahl N_total der mit der Prozesskammer verbindbaren Filterkammern fest vorgegeben sein. Optional kann dieser Wert von einem Nutzer der additiven Herstellvorrichtung vor dem Start eines Herstellvorgangs eingegeben werden, insbesondere nach einer Veränderung der Anzahl der für eine Filterung des Prozessgasstroms zur Verfügung stehenden Filterkammern.
Bei einem alternativen Vorgehen wird, wenn Filterelemente abgereinigt oder getauscht werden sollen, stets die maximal zulässige Anzahl von Filterkammern N_max vom Gaskreislauf abgetrennt. Auch auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Anzahl der im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern stets die Anzahl der nicht im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern übersteigt.
Es versteht sich, dass in gleicher Weise vorgegangen werden kann, wenn sichergestellt wird, dass ein Zahlenverhältnis (z. B.: 2:1) von nicht von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern zu von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern nicht unterschritten wird. In solch einem Fall kann der Wert der Variablen N_max entsprechend angepasst sein.
Optional kann die Gas-Steuervorrichtung 80 jedes Mal ein Warnsignal ausgeben, wenn die Anzahl der vom Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 abzuklemmenden Filterkammern größer oder gleich der Anzahl der im Gaskreislauf durch die Prozesskammer 3 verbleibenden Filterkammern ist oder ein Zahlenverhältnis von nicht von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern zu von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern unterschritten wird. Bei dem Warnsignal kann es sich um ein akustisches und/oder ein optisches Signal handeln.
Beim Vorhandensein von drei Filterkammern bedeutet dies, es wird sichergestellt, dass während des Herstellvorgangs stets mindestens zwei Filterkammern im Prozessgaskreislauf angeordnet sind. Beim Vorhandensein von vier oder fünf Filterkammern heißt dies, es wird sichergestellt, dass während des Herstellvorgangs stets mindestens drei Filterkammern im Prozessgaskreislauf angeordnet sind. Beim Vorhandensein von sechs oder sieben Filterkammern heißt dies, es wird sichergestellt, dass während des Herstellvorgangs stets mindestens vier Filterkammern im Prozessgaskreislauf angeordnet sind.
Die Ermittlung, wann ein Filterelement getauscht oder abgereinigt werden sollte, kann mittels stromaufwärts und stromabwärts einer Filterkammer im Gaskreislauf angeordneter Sensoren geschehen, was anhand von 3 erläutert wird.
3 ist sehr ähnlich zu 2. Der Unterschied zu 2 besteht darin, dass in 3 zusätzlich Sensoren 38a, 38b, 38c, 38g, 39a, 39b, 39c und 39g gezeigt sind, die in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden. Bei den Sensoren 38a, 38b, 38c, 38g, 39a, 39b, 39c und 39g handelt es sich um Drucksensoren. Durch Vergleich der von den Sensoren 38a und 39a, 38b und 39b bzw. 38c und 39c ermittelten Werte kann dabei die an der zugeordneten Filterkammer 41a, 41b bzw. 41c anliegende Druckdifferenz bestimmt werden. Wenn die an einer Filterkammer anliegende Druckdifferenz einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet, so kann dies als Indikator dafür verwendet werden, dass das Filterelement in der entsprechenden Filterkammer ausgetauscht oder abgereinigt werden sollte.
Obwohl die beiden Sensoren 38g und 39g zusätzlich zu den Sensoren 38a, 38b, 38c, 39a, 39b und 39c eingezeichnet sind, können sie auch anstelle der Sensoren 38a, 38b, 38c, 39a, 39b und 39c im Gaskreislauf angeordnet sein. Durch Vergleich der von den Sensoren 38g und 39g ermittelten Werte kann die an der Gesamtheit der parallel zueinander im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern anliegende Druckdifferenz bestimmt werden und basierend auf dieser Druckdifferenz entschieden werden, ob ein Austausch oder eine Abreinigung irgendeines der Filterelemente stattfinden muss oder nicht. Es sei bemerkt, dass alternativ oder zusätzlich auch die Druckdifferenz für lediglich eine Teilmenge der Gesamtheit der parallel zueinander im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern mittels zweier Sensoren stromaufwärts und stromabwärts dieser Teilmenge im Gaskreislauf ermittelt werden kann.
In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 90 aus Gründen der Übersichtlichkeit pauschal Signalleitungen (gestrichelt) zwischen den Sensoren und der Gas-Steuervorrichtung 80, über die der Gas-Steuervorrichtung 80 von den jeweiligen Sensoren ermittelte Druckwerte übermittelt werden können, und Signalleitungen zwischen der Gas-Steuervorrichtung 80 und den Schalteinheiten. Die Gas-Steuervorrichtung 80 kann anhand der von den Sensoren übermittelten Druckwerte an den Filterkammern anliegende Druckdifferenzen bestimmen und selbsttätig entscheiden, wann ein Austausch oder eine Abreinigung von Filterelementen notwendig ist. Auch wenn in der Figur explizit Signalleitungen gezeigt sind, so versteht es sich, dass die Kommunikation auch drahtlos erfolgen kann, beispielsweise mittels Funk, WLAN, NFC, Bluetooth oder dergleichen, indem die Gas-Steuervorrichtung und die Schalteinheiten entsprechende Empfänger und Sender aufweisen.
Schließlich zeigt 3 noch einen Sensor 51 zur Bestimmung des Volumenstroms im Gaskreislauf, der ebenfalls über eine Signalverbindung mit der Gas-Steuervorrichtung 80 verbunden ist. In der 3 ist der Sensor 51 stromaufwärts der Gasfördereinrichtung 50 dargestellt, jedoch kann er alternativ auch stromabwärts angeordnet sein. Sofern der Sensor 51 ein Absinken des Volumenstroms unter einen vorgegebenen Minimalwert anzeigt, kann unabhängig von den mittels der Drucksensoren ermittelten Differenzdruckwerten entschieden werden, dass eine Abreinigung oder ein Austausch von Filterelementen stattfinden soll. Wenn man jedoch noch zusätzlich die an den einzelnen Filterkammern anliegenden Differenzdruckwerte für die Entscheidung berücksichtigt, dann kann durch das Zusammenwirken der Informationen von den Drucksensoren und dem Sensor für den Volumenstrom ziemlich differenziert entschieden werden, welche Filterelemente wann abzureinigen oder auszutauschen sind.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 5 ein möglicher Verfahrensablauf bei einem Austausch oder einer Abreinigung einer Anzahl von Filterelementen mittels einer entsprechend angepassten Gas-Steuervorrichtung 80 beschrieben. Ausgangspunkt des Verfahrensablaufs (Schritt S0) ist hierbei ein Zeitpunkt, zu dem entschieden wurde, dass in einer Mehrzahl i von Filterkammern ein Filterelement ausgetauscht oder abgereinigt werden muss. Diese Entscheidung kann beispielsweise basierend auf den Druckdifferenzen, die an den einzelnen Filterkammern anliegen, automatisch durch die Gas-Steuervorrichtung 80 getroffen worden sein.
Im Schritt S1 wird auf die Entscheidung folgend ermittelt, ob die Anzahl Ni der Filterkammern, in denen ein Filterelement ausgetauscht oder abgereinigt werden muss, größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl N_total an Filterkammern ist, die mit der additiven Herstellvorrichtung während eines Herstellvorgangs verbindbar sind. Falls ja, so wird ein Schritt S1' ausgeführt, in dem abgeprüft wird, ob auch eine Anzahl N_i-1 von Filterkammern größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl an Filterkammern wäre. Sollte dies nicht der Fall sein, so wird als Nächstes der Verfahrensschritt S2 ausgeführt. Sollte auch eine Anzahl N_i-1 von Filterkammern größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl an Filterkammern sein, so wird solange sukzessiv abgeprüft, ob eine Anzahl N_i-2, N_i-3, etc. von Filterkammern größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl an Filterkammern ist, bis dies für eine Anzahl N_i-1 (j>1) nicht mehr der Fall ist und das Verfahren dann zum Schritt S2 fortschreiten kann.
Im Schritt S2 steuert die Gas-Steuervorrichtung 80 die Schalteinheiten stromabwärts und stromaufwärts jener i Filterkammern an, in denen das Filterelement abgereinigt oder ausgetauscht werden soll, um diese Filterkammern von dem Gasstrom abzutrennen. Sofern der Verfahrensschritt S1' ausgeführt wurde, werden entsprechend nicht Ni, sondern N_i-1 bzw. N_i-1 Filterkammern abgetrennt.
Im Schritt S3 findet dann in bekannter Weise ein Abreinigungsvorgang der Filterelemente in den abgetrennten Filterkammern statt bzw. ein Austausch der Filterelemente in diesen Filterkammern statt. Bei Beendigung des Abreinigungsvorgang oder Austauschvorgangs wird dann der Gas-Steuervorrichtung 80 ein Endsignal übermittelt. Bei einem Abreinigungsvorgang geschieht dies automatisch, bei einem Austauschvorgang kann dies ebenfalls der Fall sein, jedoch auch manuell geschehen. Nach Erhalt des Endsignals, das anzeigt, dass eine Filterkammer wieder betriebsbereit ist, öffnet die Gas-Steuervorrichtung 80 dann im Schritt S4 wieder die Schalteinheiten stromabwärts und stromaufwärts dieser Filterkammer, sodass die Filterkammer wieder von dem Prozessgas durchströmt wird.
Es sei bemerkt, dass die vom Gaskreislauf abzutrennenden Filterkammern nicht notwendigerweise gleichzeitig, sondern auch sukzessive vom Gaskreislauf abgetrennt werden können. Insbesondere gilt das in einem Fall, in dem nicht die Druckdifferenzen der einzelnen Filterkammern separat mittels Sensoren stromaufwärts und stromabwärts jeder Filterkammer ermittelt werden, sondern die resultierende Druckdifferenz mehrerer parallel zueinander im Gasstrom angeordneter Filterkammern ermittelt wird, beispielsweise mittels der Sensoren 38g und 39g in 3.
Weiterhin kann der mit Bezug auf 5 beschriebene Verfahrensablauf in gleicher Weise ausgeführt werden, wenn, statt abzuprüfen, ob die Anzahl Ni der Filterkammern, in denen ein Filterelement ausgetauscht oder abgereinigt werden muss, größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl N_total an Filterkammern ist, abgeprüft wird, ob das Zahlenverhältnis der Differenz zwischen der Gesamtzahl N_total an Filterkammern und der Anzahl Ni zur Anzahl Ni, mit anderen Worten (N_total-N_i)/N_i, einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet oder nicht.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel könnte eine Verfestigung anstatt mit Laserlicht auch mit anderen Energiestrahlen erfolgen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Der Ausdruck „eine Anzahl“ ist als „mindestens ein(e)“ zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2978589 B1 [0002]
DE 102014207160 A1 [0007]
EP 3321071 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts (2) in einer Prozesskammer (3) einer additiven Herstellvorrichtung, bei dem das Objekt hergestellt wird, indem ein Aufbaumaterial (13) 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 die Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre ein Gasumwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein durch die Prozesskammer (3) geleitetes Prozessgas aufweist, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem (40) mit einer Mehrzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Filterkammern vorhanden sind, von denen jede zumindest ein Filterelement (43a, 43b, 43c) zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, und eine Gas-Steuervorrichtung (80) zur Steuerung des Gaskreislaufs vorhanden ist, die so eingerichtet ist, dass sie während des ablaufenden Herstellverfahrens eine Anzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) von dem Gaskreislauf abtrennen kann und dabei sicherstellen kann, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der Filterkammern (41a, 41b, 41c) zumindest ein Filterelement (43a, 43b, 43c) zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist und/oder ausgetauscht werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) ein im Wesentlichen gleiches Volumen aufweist und/oder die Filterelemente (43a, 43b, 43c) eine im Wesentlichen gleiche Filterfläche aufweisen und/oder ein gleiches Filtermedium aufweisen und/oder mit der Mehrzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) jeweils verbundene Zuleitungen und Ableitungen eine im Wesentlichen gleiche Öffnungsquerschnittsfläche aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Gas-Steuervorrichtung (80) so eingerichtet ist, dass sie sicherstellt, dass während des ablaufenden Herstellverfahrens zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, ein Zahlenverhältnis von nicht von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern zu von dem Prozessgaskreislauf abgetrennten Filterkammern größer oder gleich einem Mindestwert von 55:45, bevorzugt 60:40, weiter bevorzugt 2:1, noch bevorzugter 70:30, noch weiter bevorzugt 3:1, besonders bevorzugt 4:1, ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der stets alle im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern (41a, 41b, 41c) in Parallelschaltung zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der es sich bei den mindestens drei Filterkammern (41a, 41b, 41c) um gasdicht voneinander abgegrenzte Teilräume einer oder mehrerer Hauptkammern des Filtersystems (40) handelt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der für jede der mindestens drei Filterkammern (41a, 41b, 41c) stromaufwärts eine Schalteinheit (36a, 36b, 36c) und/oder stromabwärts eine Schalteinheit (37a, 37b, 37c) vorgesehen ist, mittels der jeweils diese Filterkammer getrennt von den anderen Filterkammern gegenüber dem Gaskreislauf abgeschottet werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der für jede der mindestens drei Filterkammern (41a, 41b, 41c) stromaufwärts und stromabwärts jeweils ein Drucksensor (38a, 38b, 38c, 39a, 39b, 39c) vorgesehen ist, sodass ein Differenzdruck zwischen einer Rohgasseite und einer Reingasseite eines Filterelements (43a, 43b, 43c) in der Filterkammer (41a, 41b, 41c) ermittelt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zur Ermittlung eines Differenzdrucks zwischen einer Rohgasseite und einer Reingasseite einer Mehrzahl von Filterkammern, bevorzugt aller Filterkammern, ein Drucksensor (38g) stromaufwärts einer Gabelung einer Zuleitung des Rohgases zu der Mehrzahl von Filterkammern und ein Drucksensor (39g) stromabwärts einer Zusammenführung von Ableitungen des Reingases aus der Mehrzahl von Filterkammern vorgesehen ist und der Differenzdruck durch einen Vergleich der Druckwerte der beiden Drucksensoren ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Gas-Steuervorrichtung (80) über Signalverbindungen (90) mit den Drucksensoren stromaufwärts und stromabwärts einer Filterkammer verbunden ist und eingerichtet ist, eine Abreinigung eines Filterelements zwischen diesen Drucksensoren zu veranlassen, sofern ein von den Drucksensoren entgegen genommener Differenzdruck einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der stromabwärts des Filtersystems ein Sensor (51) zur Bestimmung eines Volumenstroms des Prozessgases im geschlossenen Gaskreislauf angeordnet ist, der über eine Signalverbindung mit der Gas-Steuervorrichtung verbunden ist, wobei die Gas-Steuervorrichtung eingerichtet ist, eine Abreinigung eines Filterelements zu veranlassen, sofern ein von dem Sensor entgegengenommener Wert des Volumenstroms einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gasumwälzsystem einen Ventilator (50) aufweist.
Additive Herstellvorrichtung mit: einer Prozesskammer (3) zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, wobei die additive Herstellvorrichtung eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 aufweist.
Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts (2) in einer Prozesskammer (3) einer additiven Herstellvorrichtung, bei dem das Objekt hergestellt wird, indem ein Aufbaumaterial (13) 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 bei dem Verfahren zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre ein durch die Prozesskammer (3) geleitetes Prozessgas mittels eines Gasumwälzsystem in einem geschlossenen Gaskreislauf bewegt wird, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem (40) mit einer Mehrzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Filterkammern vorhanden sind, von denen jede zumindest ein Filterelement (43a, 43b, 43c) zum Filtern von Partikeln in dem Gaskreislauf aufweist, das durch einen Gasdruckstoß abreinigbar ist, und während des ablaufenden Herstellverfahrens eine Anzahl von Filterkammern (41a, 41b, 41c) von dem Gaskreislauf abgetrennt wird, wobei sichergestellt wird, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise ständig, eine Anzahl von in dem Gaskreislauf verbleibenden Filterkammern die Anzahl der von dem Gaskreislauf abgetrennten Filterkammern übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem bei einer im Gaskreislauf angeordneten Filterkammer (41a, 41b, 41c) der an einem in ihr angeordneten Filterelement (43a, 43b, 43c) anliegende Differenzdruck ermittelt wird und eine Abreinigung an diesem Filterelement durchgeführt wird, wenn der ermittelte Differenzdruck einen vorgegebenen Maximalwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem das Prozessgas im geschlossenen Gaskreislauf mit einem Volumenstrom bewegt wird, der einen Wert von 50 m³/h, bevorzugt 100 m³/h, weiter bevorzugt 200 m³/h übersteigt und/oder einen Wert von 2000 m³/h, bevorzugt 500 m³/h, weiter bevorzugt 400 m³/h unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Wert eines Volumenstroms des Prozessgases im geschlossenen Gaskreislauf stromabwärts des Filtersystems (40) ermittelt wird und eine Abreinigung eines Filterelements (43a, 43b, 43c) dann durchgeführt wird, wenn der ermittelte Wert des Volumenstroms einen vorgegebenen Minimalwert unterschreitet.
Additives Herstellverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts in einer Prozesskammer einer additiven Herstellvorrichtung, wobei das Objekt (2) mittels der additiven Herstellvorrichtung hergestellt wird, indem in der Prozesskammer (3) ein Aufbaumaterial (13) 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 während des Herstellverfahrens ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 angewandt wird.