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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
eines dreidimensionalen Formkörpers
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs
16.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf generative Fertigungsverfahren,
bei denen komplexe, dreidimensionale Bauteile schichtweise aus Werkstoffpulvern
aufgebaut werden. Die Anwendungsfelder der Erfindung liegen neben
dem Rapid Prototyping und den benachbarten Disziplinen Rapid Tooling
und Rapid Manufacturing insbesondere im Bereich der Herstellung
von Serienwerkzeugen und -funktionsteilen. Dazu gehören beispielsweise
Spritzgusswerkzeuge mit oberflächennahen
Kühlkanä len sowie
Einzelteile und Kleinserien von komplexen Funktionsbauteilen für die Medizin,
den Maschinenbau, Flugzeugbau und Automobilbau.
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Zu
den für
die vorliegende Erfindung relevanten generativen Fertigungsverfahren
zählen
das Laserschmelzen, das beispielsweise aus der
DE 196 49 865 C1 der Fraunhofer-Gesellschaft
bekannt ist, und das Lasersintern, das beispielsweise aus der
US 4,863,538 der Universität von Texas
bekannt ist.
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Bei
dem aus der
DE 196
49 865 C1 bekannten Verfahren des Laserschmelzens werden
die Bauteile aus handelsüblichen,
einkomponentigen, metallischen Werkstoffpulvern ohne Bindemittel
oder sonstige Zusatzkomponenten hergestellt. Dazu wird das Werkstoffpulver
jeweils als dünne
Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal
entsprechend der gewünschten
Bauteilgeometrie mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen. Die Energie
des Laserstrahls wird so gewählt,
dass das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine
gesamte Schichtdicke vollständig
aufgeschmolzen wird. Gleichzeitig wird eine Schutzgasatmosphäre über der
Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit dem metallischen Werkstoffpulver
aufrechterhalten, um Fehlstellen im Bauteil zu vermeiden, die beispielsweise
durch Oxidation hervorgerufen werden können. Zur Durchführung des Verfahrens
ist eine Vorrichtung bekannt, welche aus der
1 der
DE 196 49 865 C1 hervorgeht.
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Bei
dem aus der
US 4,863,538 bekannten Verfahren
des Lasersinterns werden die Bauteile aus speziell für das Lasersintern
entwickelten Werkstoffpulvern hergestellt, die neben dem Grundwerkstoff eine
oder mehrere Zusatzkomponenten enthalten. Die verschiedenen Pulverkomponenten
unterscheiden sich insbesondere hinsichtlich des Schmelzpunktes.
Beim Lasersintern wird das Werkstoffpulver als dünne Schicht auf eine Bauplattform
aufgebracht. Diese Pulverschicht wird lokal entsprechend der Geometriedaten
des Bauteils mit einem Laserstrahl bestrahlt. Die niedrig-schmelzenden
Komponenten des Werkstoffpulvers werden durch die eingestrahlte
Laserenergie aufgeschmolzen, andere bleiben im festen Zustand. Die
Befestigung der Schicht an der vorherigen Schicht erfolgt über die
aufgeschmolzenen Pulverkomponenten, die beim Erstarren eine Verbindung
herstellen. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Bauplattform
um eine Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter wird
eine neue Pulverschicht aufgebracht.
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Nach
dem Herstellen des dreidimensionalen Formkörpers wird das nicht verfestigte
Aufbaumaterial vom Maschinenbediener durch einen externen Sauger
aus der Aufbaukammer entfernt. Hierzu wird die in der Aufbaukammer
verfahrbar angeordnete Bauplattform nach oben gefahren, um mittels
des Saugers das nicht verfestigte Aufbaumaterial zu entfernen.
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Diese
Vorgehensweise weist den Nachteil auf, dass durch den Personeneinsatz
eine kostenintensive Herstellung eines Formkörpers gegeben ist. Darüber hinaus
steht die manuelle Absaugung einer Prozessautomation entgegen.
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Die
Druckschrift
EP 0 289
116 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch sukzessives selektives
Verfestigen pulverförmiger
Aufbaumaterialien. Dafür
ist eine Prozesskammer auf einem Tisch angeordnet, der computergesteuert
in jeder beliebigen horizontalen Richtung bewegt werden kann. In
der Prozesskammer befindet sich eine Aufbaukammer, in der der schichtweise
Aufbau erfolgt. Die Aufbaukammer umfasst an der Grundfläche eine
durchlässige Diffusorplatte,
durch die Gas eingeströmt
wird, das für
den Auftrag einer Pulverschicht sorgt. Des Weiteren strömt Gas über eine
Diffusorplatte in die Prozesskammer. Durch eine gemeinsame Auslassöffnung wird
das Gas abgesaugt und anschließend
entsorgt oder gereinigt, gekühlt
und wieder eingeströmt.
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Die
Gaszufuhr zum Fluidisieren des Pulverbetts erfolgt getrennt zur
Gaszufuhr in die Prozesskammer über
einen Gasbehälter
und wird über
ein Ventil gesteuert. Sobald das Ventil geschlossen wird, bildet
sich eine Pulverschicht auf der Oberfläche. Die Pulverzufuhr erfolgt
getrennt über
eine Zuführleitung aus
einem Pulverbehälter.
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Ein
Laserstrahl schmilzt das Pulver auf und sorgt für eine Verbindung mit der darunter
liegenden Schicht. Das aufgeschmolzene Pulver wird durch strömendes Gas
gekühlt
und verfestigt sich.
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Eine
Kühlung
des Trägers
sowie Bauteils ist nicht vorgesehen. Das zu bildende dreidimensionale Bauteil
verbleibt in vertikaler Richtung gesehen während seiner Herstellung in
einer definierten Position innerhalb der Prozesskammer.
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Aus
der
DE 199 37 260
A1 geht ein Verfahren hervor, bei welchem außerhalb
der Prozesskammer zur Herstellung eines Formkörpers in einer separaten Vorrichtung
ein gesteuertes Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial
erfolgt. Hierfür
ist ein Behälter
vorgesehen, der sowohl in der Prozesskammer zur Herstellung des
Formkörpers
als auch in der separaten Vorrichtung zum Entfernen des nicht verfestigten
Aufbaumaterials einsetzbar ist.
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Die
Herstellung der Formkörper
erfolgt zumeist bei hohen Temperaturen bis zu 500°C, um eine gute
Verbindung zwischen den einzelnen Schichten zu erzielen sowie einen
spannungsarmen und rissfreien Aufbau des Formkörpers zu ermöglichen.
Zur Handhabung des Behälters
nach dem Herstellen des Formkörpers
ist erforderlich, dass eine definierte Abkühlphase gegeben ist, um eine
gefahrlose Handhabung des Behälters
zu ermöglichen.
Außerdem
sollte der fertiggestellte Formkörper
gleichmäßig und
mit angepasster Geschwindigkeit gekühlt werden, um Spannungen im
Formkörper
zu reduzieren.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers bereitzustellen,
bei dem beziehungsweise bei der die Herstellungszeit des Formkörpers verkürzt und
die Handhabung vereinfacht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 beziehungsweise
durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 16 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Nach
der Fertigstellung des Formkörpers
in einer Prozesskammer wird ein den Formkörper aufnehmender Träger innerhalb
einer Aufbaukammer aus einer Bearbeitungsposition in eine Kühlposition und
anschließend
in eine Absaugposition oder in eine Kühl- und Absaugposition verfahren.
In Abhängigkeit der
Bearbeitungsstrategie, der Prozessdauer, des Aufbaumaterials, der
Geometrie des Formkörpers, sowie
weiterer Prozessparameter für
die Herstellung eines Formkörpers
werden die Positionen innerhalb der Aufbaukammer angefahren. Durch
das Positionieren des Trägers
innerhalb der Aufbaukammer kann das den Formkörper teilweise umgebende, nicht
verfestigte Aufbaumaterial innerhalb der Aufbaukammer während des
Kühlens
bis zur Absaugung zwischengelagert und in einer Absaugposition innerhalb
kurzer Zeit vollständig
abgeführt
werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Träger
vor oder nach dem direkten oder indirekten Kühlen des Formkörpers in
eine Absaugposition verfahren wird, in der das nicht verfestigte
Aufbaumaterial aus der Aufbaukammer entfernt wird. Hierfür ist vorgesehen,
dass ein Volumenstrom erzeugt wird, der die Aufbaukammer durchströmt, wodurch
ein Entfernen des nicht verfestigten Aufbaumaterials und eine Kühlung des Formkörpers und
des Trägers
erfolgt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
erfolgt zunächst
eine direkte Kühlung
des Trägers
und eine indirekte Kühlung
des Formkörpers.
Während dieser
Abkühlphase
kann auch die Aufbaukammer gekühlt
werden. Im Anschluss wird das ebenfalls zumindest teilweise abgekühlte, nicht
verfestigte Aufbaumaterial aus der Aufbaukammer entfernt.
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Zum
Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial und zur Kühlung des
Trägers
und des fertiggestellten Formkörpers
ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein Saugstrom die Aufbaukammer durchströmt. Das
nicht verfestigte, pulverförmige Aufbaumaterial
kann in einfacher Weise in der Absaugposition des Trägers entfernt
werden. Dadurch kann sowohl eine hohe Effizienz für die Herstellung von
Formkörpern
gegeben sein als auch eine erhebliche Verringerung der Verschmutzung
der Umgebung durch nicht verfestigtes Aufbaumaterial. Durch einen
den Träger
durchströmenden
Volumenstrom kann eine einfache und effektive Kühlung des Trägers gegeben
sein. Somit können
mit einem Volumenstrom bei unterschiedlicher Positionierung des Trägers innerhalb
der Aufbaukammer mehrere Funktionen erfüllt werden.
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Die
Bauplattform wird während
des Aufbaus des Formkörpers
durch Heizelemente auf eine Temperatur von beispielsweise 300°C bis 500°C aufgeheizt.
Zur Kühlung
des Trägers
nach der Fertigstellung des Formkörpers ist vorteilhafterweise
vorgesehen, dass der Träger
in eine Kühlposition überführt wird,
in welcher die Bauplattform des Trägers zumindest teilweise durchströmt und gekühlt wird.
Durch das zumindest teilweise Durchströmen der Bauplattform kann zunächst eine
schnelle Kühlung
der Bauplattform erfolgen und gleichzeitig eine indirekte Kühlung des
Formkörpers
bewirkt werden, welcher auf der Bauplattform aufliegt.
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Die
zumindest eine Einlassöffnung
in der Aufbaukammer zum Zuführen
des Volumenstromes ist im Wesentlichen deckungsgleich zu Kühlkanälen der
Bauplattform in einer Kühlposition
vorgesehen. Dadurch kann eine gute Durchströmung mit einer hohen Durchströmungsgeschwindigkeit
gegeben sein, wodurch eine effiziente Kühlung erzielt wird.
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Die
Erzeugung des Kühlstromes
erfolgt bevorzugt durch Ansaugen von Umgebungsluft. Diese wird bevorzugt
vor dem Zuführen
in die Aufbaukammer filtriert. Dadurch kann eine gereinigte Luft
zugeführt
werden. Darüber
hinaus ist diese Ausgestaltung kostengünstig, da die gereinigte Luft
des Kühlstromes
wieder in die Umgebung abgegeben werden kann. Gleichzeitig weist
diese Ausgestaltung den Vorteil auf, dass mit ein und derselben
Zuführung
der Umgebungsluft und den in der Aufbaukammer vorgesehenen Ein-
und Auslassöffnungen
sowohl die Absaugung des nicht verfestigten Aufbaumaterials als auch
die Kühlung
der Bauplattform und des Formkörpers
ermöglicht
wird.
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Alternativ
zur Ausgestaltung eines Saugstromes kann vorgesehen sein, dass die
Umgebungsluft oder ein gasförmiges
Medium durch ein der zumindest einen Einlassöffnung vorgeschaltetes Gebläse unter
Druck zugeführt
wird. Des Weiteren kann alternativ vorgesehen sein, dass zur Kühlung der
Bauplattform und des Formkörpers
ein Gasstrom oder Gas-/Luftstrom
eingesetzt wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein gepulster Volumenstrom zur Kühlung der Bauplattform erzeugt wird.
Dadurch kann in Abhängigkeit
der Pulsdauer und/oder des Volumenstromes die Abkühlgeschwindigkeit
der Bauplattform und des Formkörpers
beeinflusst werden. Der Formkörper
wird bevorzugt innerhalb einer an die Form, Größe und/oder das Aufbaumaterial
des Formkörpers
angepassten Zeitdauer gleichmäßig abgekühlt, um
den Aufbau von Eigenspannungen zu vermeiden.
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Zur
gleichzeitigen Kühlung
der Bauplattform und des Formkörpers
kann gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der
Träger
in eine Position gebracht werden kann, so dass in Höhe der Kühlkanäle des Trägers in
der Aufbaukammer Ein- und Auslassöffnungen vorgesehen sind und
im Bereich des Formkörpers
des Weiteren Ein- und Auslassöffnungen
angeordnet oder beide Bereiche überdeckende
Ein- und Auslassöffnungen vorgesehen
sind. Dadurch kann eine gleichzeitige Kühlung von Formkörper und
Bauplattform sowie ein Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial
ermöglicht
sein.
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Um
beispielsweise eine getrennte Kühlung von
Bauplattform und Formkörper
zu ermöglichen, werden
bevorzugt die Volumenströme
zur Kühlung der
Bauplattform und des Formkörpers
jeweils getrennt eingestellt und angesteuert. Dadurch kann die Abkühlrate der
Bauplattform wesentlich höher
als die des Formkörpers
vorgesehen werden. Gleichzeitig kann durch den separaten Volumenstrom,
welcher für
den Formkörper
vorgesehen ist, eine weitere Kühlung
der Aufbaukammer ermöglicht
werden.
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Zum
Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial, insbesondere durch
die Erzeugung eines Saugstromes, wird die Bauplattform unterhalb oder
von unten an zumindest eine Auslassöffnung in der Aufbaukammer
angrenzend positioniert. Dadurch wird auch die Absaugung einer Bodenfläche einer Bauplattform
ermöglicht,
auf welcher der Formkörper aufgebaut
wird und die von dem Formkörper
nicht eingenommen ist.
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Der
Beginn der Absaugung wird bevorzugt durch ein Sensorelement überwacht,
welches nach dem Anbringen eines Verschlusselementes auf eine Öffnung der
Aufbaukammer ein Signal an eine Steuer – und Recheneinheit weiterleitet.
Dadurch wird sichergestellt, dass eine geschlossene Aufbaukammer zum
Entfernen des nicht verfestigten Aufbaumaterials geschaffen ist.
Während
des Entfernens des nicht verfestigten Aufbaumaterials durch einen
Saugstrom entstehen Verwirbelungen in dem geschlossenen Raum. Dadurch
können
an dem Formkörper
anhaftende Pulverteilchen, welche nicht verfestigt wurden, zumindest
teilweise abgelöst
und abgesaugt werden.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Erzeugung des Saugstromes manuell
angesteuert wird, nachdem an der Steuerung bestätigt wurde, dass ein Verschlusselement
auf der Öffnung
der Aufbaukammer vorgesehen ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass während
des Entfernens des nicht verfestigten Aufbaumaterials der Träger zumindest
geringfügig
auf und ab bewegt wird. Dadurch kann erzielt werden, dass durch
das Einströmen
eines Volumenstromes in die Aufbaukammer der Formkörper über einen
größeren Bereich
angeströmt
wird. Dadurch kann das Ablösen
von an dem Formkörper
anhaftendem, jedoch nicht verfestigtem Aufbaumaterial erhöht werden.
Die Auf- und Abbewegung kann durch eine Steuer- und Recheneinheit
gesteuert wer den, wobei der Verfahrweg und die Verfahrdauer anwendungsspezifisch
eingestellt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist
vorgesehen, dass zur Kühlung
oder Absaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial ein kontinuierlicher
Volumenstrom, ein zunehmender, pulsierender oder abnehmender Volumenstrom
erzeugt wird. In Abhängigkeit
der Geometrie des Formkörpers,
der Art des Aufbaumaterials sowie der Betriebstemperatur werden
die Volumenströme
eingestellt. Beispielsweise kann mit einem zunehmenden Volumenstrom
zunächst
ein wesentlicher Anteil von nicht verfestigtem Aufbaumaterial abgesaugt
werden, um gegen Ende des Absaugvorganges mit einer geringen Menge
an noch verbleibendem Aufbaumaterial einen hohen Verwirbelungsgrad
zu erzielen und damit den Reinigungseffekt zu erhöhen.
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Bei
einer nicht vollständig
erfolgten Entfernung des nicht verfestigten Aufbaumaterials beispielsweise
aus Hohlräumen
und Hinterschneidungen des Formkörpers
wird vorteilhafterweise eine manuell zu betätigende Saugdüse zur Reinigung
eingesetzt. Der Formkörper
verbleibt hierfür
zumindest teilweise in der Aufbaukammer, so dass eine kontrollierte
Reinigung erfolgen kann.
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Zur
Erzeugung eines Saugstromes wird bevorzugt ein Gebläse eingesetzt,
welches mehrere Saugströme
für wenigstens
zwei Prozesskammern erzeugt. Dieses Gebläse ist bevorzugt als Radialgebläse ausgebildet.
Durch die Leistungsfähigkeit
des Gebläses
können
mehrere Prozesskammern bedient werden. Der Volumenstrom zur Erzeugung
einer Saugleistung ist sowohl durch den Querschnitt der Ein- und
Auslassöffnungen
als auch durch eine Einstellung der Saugparameter am Gebläse bestimmt.
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Bevorzugt
wird die Absaugung des nicht verfestigten Aufbaumaterials mit einem
Luftstrom durchgeführt.
Zum Absaugen von sehr warmem, nicht verfestigtem Aufbaumaterial
ist bevorzugt ein Gas-/Luftstrom oder ein Gasstrom vorgesehen, um
eine Funkenbildung zu vermeiden und somit eine Explosionsgefahr
zu verringern.
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Das
durch einen Saugstrom abgeführte
und nicht verfestigte Aufbaumaterial wird vorteilhafterweise einer
Abscheidevorrichtung und einem Filter zugeführt. Diese Komponenten sind
den zur Prozesssteuerung dienenden Sperreinrichtungen in den Absaugleitungen
nachgeschaltet. Dadurch kann eine Reinigung und Filtrierung des
Volumenstromes, insbesondere des Luftstromes oder Gasstromes, erzielt werden,
so dass dieser wieder an die Umgebung abgegeben werden kann. Gleichzeitig
kann eine Rückführung des
nicht verfestigten Aufbaumaterials zur erneuten Verwendung beim
schichtweisen Aufbau ermöglicht
sein. Vorteilhafterweise wird das rückgeführte, nicht verfestigte Aufbaumaterial
gesiebt und gereinigt. Dies kann in einer in die Abscheidevorrichtung
integrierten oder einer externen Reinigungs- und Aufbereitungseinheit
erfolgen.
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Die
Kühlung
der Bauplattform und somit des Formkörpers wird nach einer vorteilhaften
Ausführungsform
der Erfindung durch einen in der Bauplattform angeordneten Temperaturfühler überwacht.
Dadurch kann eine gesteuerte Kühlung
erfolgen und vorteilhafterweise die Pulsdauer und/oder der Volumenstrom
in Art und Durchflussrate in Abhängigkeit der
tatsächlich
erfassten Temperatur durch die Steuer- und Recheneinheit eingestellt
und angepasst werden.
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Die
Kühlposition
wird solange eingenommen, bis bevorzugt eine Temperatur an oder
in der Bauplattform des Trägers
von weniger als 50°C durch
den Temperaturfühler
erfasst wird. Bei Unterschreiten dieser Temperatur wird ein Signal
ausgegeben, und der Träger
fährt in
eine weitere Position, in der das nicht verfestigte Aufbaumaterial
aus der Aufbaukammer abgesaugt wird und anschließend in eine Position, in der
der Formkörper
von der Bauplattform aus der Aufbaukammer entnommen wird.
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Der
Volumenstrom zur Kühlung
zumindest der Bauplattform wird vorteilhafterweise ebenso wie der
Saugstrom zur Absaugung des nicht verfestigten Aufbaumaterials einer
Abscheidevorrichtung und einem Filter zugeführt, welche einem Gebläse vorgeschaltet
sind. Dadurch kann eine Verringerung der Bauteilkomponenten und
Vereinfachung des Aufbaus gegeben sein.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist insbesondere eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen
Formkörpers durch
aufeinanderfolgendes Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen,
mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung verfestigbaren
Aufbaumaterials an dem jeweiligen Querschnitt des Formkörpers entsprechenden
Stellen vorgesehen mit einem Träger
zur Aufnahme eines Formkörpers,
welcher in einer Prozesskammer auf und ab bewegbar ist, wobei in
zumindest einem Wandabschnitt einer Aufbaukammer der Prozesskammer
wenigstens eine Einlassöffnung
und wenigstens eine Auslassöffnung
für einen
Volumenstrom eines Mediums vorgesehen sind, welcher die Aufbaukammer
durchströmt,
wenigstens eine Bauplattform des Trägers Kühlkanäle aufweist, welche in einer
Kühlposition des
Trägers
in der Prozesskammer im Wesentlichen deckungsgleich zu der zumindest
einen Einlass- und Auslassöffnung
angeordnet sind.
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Durch
die Anordnung des Trägers
in einer Kühlposition
nach der Herstellung des dreidimensionalen Bauteils können Kühlkanäle in wenigstens
einer Bauplattform des Trägers
im Wesentlichen deckungsgleich zu der zumindest einen Einlass- und Auslassöffnung vorgesehen
sein. Ein Gasstrom durchströmt
die Bauplattform und bewirkt somit eine schnelle Abkühlung der
zumindest einen Bauplattform, so dass die Abkühlzeiten verringert werden.
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Durch
die integrierte Anordnung und Ausgestaltung zur Kühlung der
Bauteilkomponenten als auch der Entfernung von nicht verfestigtem
Aufbaumaterial wird eine Reduzierung der Prozessdauer und somit
eine Erhöhung
der Wirtschaftlichkeit erzielt. Auch werden die Gefahr der Verschmutzung
der Umgebung und damit verbundene Gesundheitsrisiken durch nicht
verfestigtes Aufbaumaterial bei der Entnahme des Formkörpers aus
der Aufbaukammer erheblich reduziert.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen,
dass der zumindest einen Einlassöffnung
oder zumindest einen Auslassöffnung
oder der zumindest einen Einlass- und der zumindest einen Auslassöffnung der
Prozesskammer jeweils eine Sperreinrichtung zugeordnet ist. Dadurch
kann die Prozesskammer bedarfsmäßig hermetisch
abgeriegelt werden. Es kann beispielsweise ein Sauggebläse für mehrere
Prozesskammern vorgesehen sein, um einen Ansaugstrom oder Volumenstrom
zu erzeugen. Durch die Schließung
der Ein- und/oder Auslassöffnungen
sind die Prozesskammern bezüglich
der Absaugung und Kühlung
unabhängig
voneinander, wodurch eine effiziente Arbeitsweise und eine hohe
Auslastung einer Strahlquelle ermöglicht ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen,
dass in einer Auslassöffnung
einer Aufbaukammer, in einer Auslassöffnung einer Pulverfalle der
Prozesskammer und vorzugsweise in einer Abführleitung einer Düse zur Handabsaugung
jeweils eine Sperreinrichtung vorgesehen ist. Somit sind sämtliche Öffnungen,
welche zwischen der Prozesskammer oder Aufbaukammer und dem Gebläse angeordnet
sind, verschließbar.
Bevorzugt sind die Sperreinrichtungen einzeln oder in Gruppen ansteuerbar,
so dass die Sperreinrichtungen entsprechend den aktuellen Arbeitsschritten
und Prozessparametern geöffnet
oder geschlossen sind. Dadurch kann des Weiteren erzielt werden, dass
eine stufenlose Einstellung des Volumenstromes zur Kühlung und/oder
Absaugung ermöglicht
ist. Somit kann zusätzlich
zur Veränderung
des Volumenstromes über
die Gebläseleistung
auch über
die Sperreinrichtungen eine Einstellung des Volumenstromes ermöglicht sein,
welcher die Prozesskammer durchströmt. Die Sperreinrichtungen
sind bevorzugt als Quetschventile ausgebildet, welche eine hohe
Standfestigkeit aufweisen.
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Zur
Entfernung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial ist bevorzugt ein
Volumenstrom aus Gas, Umgebungsluft oder einem Gas-/Luftgemisch vorgesehen.
Die Auswahl des Mediums für
den Volumenstrom zur Ab saugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial
ist abhängig
von dem verwendeten Werkstoffpulver. Bevorzugt ist die Absaugung
mit Umgebungsluft vorgesehen. Um bereits bei höheren Temperaturen nicht verfestigtes
Aufbaumaterial abzusaugen und einer möglichen Explosionsgefahr vorzubeugen
wird alternativ die Absaugung unter Schutzgas vorgesehen.
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Zur
Durchströmung
der Aufbaukammer sind wenigstens eine Einlassöffnung und Auslassöffnung in
der Aufbaukammer einander gegenüberliegend angeordnet.
Dadurch kann ein hoher Wirkungsgrad zur Entfernung des nicht verfestigten
Aufbaumaterials und zur Kühlung
des Trägers
und/oder der Prozesskammer erzielt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass wenigstens eine Einlassöffnung
auf gleicher Höhe
zur wenigstens einen Auslassöffnung
oder höher
in dem Wandabschnitt der Aufbaukammer angeordnet ist. Beispielsweise
beim Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial kann eine gestufte
Ausgestaltung von wenigstens einer Einlassöffnung und wenigstens einer
Auslassöffnung
von Vorteil sein, wodurch eine gezielte Verwirbelung des verbleibenden und
nicht verfestigten Aufbaumaterials innerhalb der Aufbaukammer erzeugt
wird.
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Die
Anzahl der Einlassöffnungen
und der Auslassöffnungen
sind bevorzugt gleich ausgebildet. Dadurch kann eine gleichmäßige und
konstante Durchströmung
erzielt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Anzahl
der Einlassöffnungen geringer
als die Anzahl der Auslassöffnungen,
vorzugsweise bei gleicher Größe, ausgebildet
ist, um einen Düseneffekt
in der Aufbaukammer zum Entfernen des nicht verfestigten Aufbaumaterials
und zur Kühlung
zu erzielen. Abweichend hiervon kann durch die Veränderung
der Größe der Einlassöffnungen
zu den Auslassöffnungen
ein entsprechendes Zahlenverhältnis
ausgewählt
werden.
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Zur
gleichmäßigen Durchströmung der
Aufbaukammer ist des Weiteren vorteilhafterweise vorgesehen, dass
die Geometrie der zumindest einen Einlassöffnung und zumindest einen
Auslassöffnung ähnlich oder
gleich ausgebildet sind. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein,
dass zumindest die Einlassöffnungen
düsenförmig ausgebildet
sind, um beispielsweise eine erhöhte
Einströmgeschwindigkeit zu
erzielen, wodurch nicht verfestigtes Aufbaumaterial vom Formkörper leichter
zu lösen
ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass mehrere Einlassöffnungen
innerhalb eines Segmentbereiches an der Umfangswand der Aufbaukammer
vorgesehen sind. Dadurch kann beispielsweise ein Bereich von bis
zu 180° vorgesehen
sein, innerhalb dessen Einlassöffnungen
positioniert sind. Durch die insbesondere düsenförmige Ausgestaltung kann eine
zielgerichtete Abstrahlung des Formkörpers erzielt werden. Insbesondere
bei einer zusätzlichen
Auf- und Abbewegung
des Trägers
kann zumindest eine Vorreinigung des Formkörpers gegeben sein. Die Ein-
und Auslassöffnungen
können
auch gruppenweise vorgesehen sein oder an die Form und Anordnung
der Kühlkanäle des Trägers angepasst
sein.
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Die
Geometrie der zumindest einen Einlassöffnung und zumindest einen
Auslassöffnung
entspricht nach einer bevorzugten Ausführungsform der Geometrie der
Kühlkanäle, welche
insbesondere in der Bauplattform vorgesehen sind. Dadurch kann eine
störungsfreie
Einkopplung des Volumenstromes und eine optimale Kühlung erzielt
werden.
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Die
zumindest eine Einlassöffnung
und zumindest eine Auslassöffnung
sind vorteilhafterweise in einem Abstand unterhalb einer Bodenfläche in der Aufbaukammer
vorgesehen, welche zumindest der maximalen Bauhöhe eines herzustellenden Formkörpers entspricht.
Dadurch kann der Träger
nach der Herstellung des Formkörpers
in der Aufbaukammer abgesenkt werden und ein gezieltes Abführen von nicht
verfestigtem Aufbaumaterial ist ermöglicht.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Durchflussrate des Volumenstromes zur Entfernung von nicht
verfestigtem Aufbaumaterial und vorzugsweise auch zur Kühlung des
Trägers
durch ein Gebläse
gesteuert wird. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Durchflussrate
des Volumenstromes durch die Begrenzung eines Öffnungsquerschnittes der Ein- und
Auslassöffnung
gesteuert wird.
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Die
Prozesskammer umfasst vorteilhafterweise ein Filter, durch das gereinigte
Umgebungsluft oder ein alternatives Kühlmedium über eine Zuführleitung
einer Aufbaukammer zugeführt
wird.
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Der
Volumenstrom zur Kühlung
der Bauplattform und des Formkörpers
wird vorteilhafterweise ebenso wie der Saugstrom zur Absaugung des
nicht verfestigten Aufbaumaterials einer Abscheidevorrichtung und
vorzugsweise einem Filter zugeführt.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der fertiggestellte Formkörper
drehbar auf dem Träger
positioniert ist. Durch die drehbare Anordnung des Formkörpers wird
die Reinigungswirkung beim Entfernen des nicht verfestigten Aufbaumaterials
erhöht.
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Bevorzugt
wird der Formkörper
zumindest einmal um 360° gedreht,
so dass jeder Umfangsabschnitt des Formkörpers der zumindest einen Einlassöffnung zugeordnet
ist. Gleichzeitig können
durch die Drehung und der in der Aufbaukammer hervorgerufenen Verwirbelung
zusätzliche
Impulse an der Oberfläche
des Formkörpers
auftreten, um die Reinigungswirkung zu erhöhen. Darüber hinaus weist die drehbare
Anordnung des Formkörpers
während
des Entfernens von nicht verfestigtem Aufbaumaterial und der gleichzeitigen
Kühlung
der Aufbaukammer den Vorteil auf, dass eine gleichmäßige Kühlung auf der
Oberfläche
durch den einströmenden
beziehungsweise durchströmenden
Volumenstrom ermöglicht
ist.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen
derselben werden im Folgenden anhand den in den Zeichnungen dargestellten
Beispielen näher
beschrieben und erläutert.
Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale
können
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt
werden. Es zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer Prozesskammer in einer Bearbeitungsposition beim
Herstellen eines Formkörpers,
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3 eine
schematische Schnittdarstellung der Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Kühlposition,
-
4 eine
schematische Schnittdarstellung der Prozesskammer nach 2 nach
dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers in einer Absaugposition,
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5 einen
schematischen Teilschnitt einer Prozesskammer mit einer Zuführeinrichtung,
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6 eine
schematische Darstellung von zwei Prozesskammern und eine Verbindung
der dazugehörigen
Komponenten und
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7 eine
schematische Ansicht einer Aufbaukammer mit einer alternativen Zuführung von
Volumenströmen.
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In
1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
11 zur
Herstellung eines dreidimensionalen Formkörpers durch aufeinanderfolgendes
Verfestigen von Schichten eines pulverförmigen Aufbaumaterials dargestellt.
Die Herstellung eines Formkörpers
durch Laserschmelzen ist beispielsweise in der
DE 196 49 865 C1 beschrieben.
Die Vorrichtung
11 umfasst eine in einem Maschinengestell
14 angeordnete
Strahlquelle
16 in Form eines Lasers, beispielsweise eines
Festkörperlasers,
welcher einen gerichteten Strahl abgibt. Dieser Strahl wird über eine
Strahlablenkeinrichtung
18, beispielsweise in Form eines
oder mehrerer ansteuerbarer Spiegel, als abgelenkter Strahl auf
eine Arbeitsebene in einer Prozesskammer
21 fokussiert.
Die Strahlablenkeinrichtung
18 ist entlang einer Linearführung
22 zwischen
einer ersten Prozesskammer
21 und einer weiteren Prozesskammer
24 motorisch
verfahrbar angeordnet. Über
Stellantriebe kann eine exakte Position der Strahlablenkeinrichtung
18 zu
den Prozesskammern
21,
24 angefahren werden. In
dem Maschinengestell
14 ist des Weiteren eine Steuer- und
Recheneinheit
26 zum Betrieb der Vorrichtung
11 und
zur Einstellung einzelner Parameter für die Arbeitsprozesse zur Herstellung
der Formkörper
vorgesehen.
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Die
erste Prozesskammer 21 und zumindest eine weitere Prozesskammer 24 sind
getrennt zueinander angeordnet und hermetisch getrennt voneinander
vorgesehen.
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In 2 ist
die Prozesskammer 21 beispielhaft im Vollquerschnitt dargestellt.
Die Prozesskammer 21 umfasst ein Gehäuse 31 und ist durch
eine Öffnung 32 zugänglich,
welche durch wenigstens ein Verschlusselement 33 verschließbar ist.
Das Verschlusselement 33 ist bevorzugt als schwenkbarer Deckel
ausgebildet, der durch durch Verrigelungselemente 34, wie
beispielsweise Kniehebelelemente, in einer geschlossenen Position
fixierbar ist. Zur Abdichtung der Prozesskammer 21 ist
an dem Gehäuse 31 nahe
der Öffnung 32 eine
Dichtung 36 vorgesehen, die vorzugsweise als Elastomerdichtung
ausgebildet ist. Das Verschlusselement 33 weist einen Bereich 37 auf,
der für
die elektromagnetische Strahlung des Laserstrahls durchlässig ist.
Bevorzugt ist ein Fenster 38 aus Glas oder Quarzglas eingesetzt, welches
Antireflexbeschichtungen an der Ober- und Unterseite aufweist. Das Verschlusselement 33 kann vorzugsweise
wassergekühlt
ausgebildet werden.
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Die
Prozesskammer 21 umfasst eine Bodenfläche 41. In diese Bodenfläche 41 mündet von
unten eine Aufbaukammer 42, in welcher ein Träger 43 auf- und
abbewegbar vorgesehen und geführt
ist. Der Träger 43 umfasst
zumindest eine Bodenplatte 44, die über eine Hubstange oder Hubspindel 46 auf-
und abbewegbar angetrieben ist. Hierzu ist ein Antrieb 47,
beispielsweise ein Zahnriemenantrieb, vorgesehen, welcher die feststehende
Hubspindel 46 auf- und abbewegt. Die Bodenplatte 44 des
Trägers 43 wird
vorzugsweise zumindest während
des schichtweisen Aufbaus durch ein fluides Medium gekühlt, welches
vorzugsweise Kühlkanäle in der
Bodenplatte 44 durchströmt.
Zwischen der Bodenplatte 44 und der Bauplattform 49 des
Trägers 43 ist
eine Isolierschicht 48 aus einem mechanisch stabilen, thermisch isolierenden
Material angeordnet.
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Dadurch
kann eine Erwärmung
der Hubspindel 46 durch die Heizung der Bauplattform 49 und eine
damit einhergehende Beeinflussung der Positionierung des Trägers 43 verhindert
werden.
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Entlang
der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 verfährt
eine Auftrags- und Nivelliereinrichtung 56, welche ein
Aufbaumaterial 57 in die Aufbaukammer 42 aufbringt.
Durch selektives Aufschmelzen des Aufbaumaterials 57 wird
eine Schicht auf den Formkörper 52 aufgebaut.
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Das
Aufbaumaterial 57 besteht bevorzugt aus Metall- oder Keramikpulver.
Auch andere für
das Laserschmelzen und Lasersintern geeignete und verwendete Werkstoffe
werden eingesetzt. In Abhängigkeit
des herzustellenden Formkörpers 52 werden die
einzelnen Werkstoffpulver ausgewählt.
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Die
Prozesskammer 21 weist an einer Seite eine Einströmdüse 61 zur
Zuführung
von Schutzgas oder Inertgas auf. An einer gegenüberliegenden Seite ist eine
Absaugdüse
oder Absaugöffnung 62 vorgesehen,
um das zugeführte
Schutz- oder Inertgas abzuführen.
Während
der Herstellung des Formkörpers 52 wird
eine laminare Strömung
an Schutz- oder Inertgas erzeugt, um beim Aufschmelzen des Aufbaumaterials 57 eine
Oxidation zu vermeiden und das Fenster 38 im Verschlusselement 33 zu
schützen.
Vorzugsweise wird die hermetisch abgeriegelte Prozesskammer 21 während des
Aufbauprozesses unter einem Überdruck
von beispielsweise 20 hPa gehalten, wobei auch deutlich höhere Drücke denkbar
sind. Dadurch kann während
des Aufbauprozesses kein Luftsauerstoff in die Prozesskammer 21 eindringen.
Bei der Umwälzung
des Schutz- oder Inertgases kann gleichzeitig eine Kühlung erfolgen.
Außerhalb
der Prozesskammer 21 ist vorzugsweise eine Kühlung und
Filtrierung des Schutz- oder Inertgases von aufgenommenen Partikeln
des Aufbaumaterials 57 vorgesehen.
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Die
Aufbaukammer 42 ist bevorzugt zylindrisch ausgebildet.
Weitere Geometrien können
ebenfalls vorgesehen sein. Der Träger 43 oder zumindest Teile
des Trägers 43 sind
an die Geometrie der Aufbaukammer 42 angepasst. In der
Aufbaukammer 42 wird der Träger 43 zum schichtwei sen
Aufbau gegenüber
der Bodenfläche 41 nach
unten bewegt. Die Höhe
der Aufbaukammer 42 ist an die Aufbauhöhe beziehungsweise die maximal
aufzubauende Höhe eines
Formkörpers 52 angepasst.
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Eine
Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 schließt unmittelbar
an die Bodenfläche 41 an
und erstreckt sich nach unten, wobei diese Umfangswand 83 an
der Bodenfläche 41 aufgehängt ist.
In der Umfangswand 83 ist zumindest eine Einlassöffnung 112 vorgesehen.
Diese Einlassöffnung 112 steht
mit einer Zuführleitung 111 in
Verbindung, welche ein Filter 126 außerhalb des Gehäuses 31 aufnimmt.
Umgebungsluft wird über
das Filter 126 und die Versorgungsleitung 111 durch
die Einlassöffnung 112 der Aufbaukammer 42 zugeführt. Die
Aufbaukammer 42 weist des Weiteren zumindest eine Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 auf, an welche sich eine Abfuhrleitung 114 anschließt, die
aus dem Gehäuse 31 herausführt und
in eine Abscheidevorrichtung 107 mündet. Dieser nachgeschaltet
ist ein Filter 108, welches über eine Verbindungsleitung 118 den
aus der Aufbaukammer 42 abgeführten Volumenstrom abführt. Vorteilhafterweise
ist vorgesehen, dass die Einlassöffnung 112 und
die Auslassöffnung 113 miteinander
fluchten. Ebenso können
die Öffnungen 112, 113 zueinander
versetzt angeordnet sein, sowohl in Bezug auf die Höhe als auch
deren Zuführposition
in radialer Richtung beziehungsweise rechtwinklig zur Längsachse
der Aufbaukammer 42.
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Die
Bauplattform 49 setzt sich aus einer Heizplatte 136 und
einer Kühlplatte 132 zusammen. In
der Heizplatte 136 sind strichliniert Heizelemente 87 dargestellt.
Des weiteren umfasst die Heizplatte 136 einen nicht näher dargestellten
Temperaturfühler.
Die Heizelemente 87 und der Temperaturfühler stehen mit Versorgungsleitungen 91, 92 in
Verbindung, die wiederum durch die Hubspindel 46 zur Bauplattform 49 geführt sind.
Am Außenumfang 93 der
Bauplattform 49 ist eine umlaufende Nut 81 vorgesehen,
in welcher ein oder mehrere Dichtringe 82 eingesetzt sind,
dessen oder deren Durchmesser geringfügig veränderbar und an die Einbausituation
und Temperaturschwankungen anpassbar ist. Der oder die Dichtringe 82 liegen
an einer Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 an.
Dieser Dichtring 82 weist eine Oberflächenhärte auf, welche geringer ist
als die der Umfangswand 83. Die Umfangswand 83 weist vorteilhafterweise
eine Oberflächenhärte auf,
welche größer als
die Härte
des Aufbaumaterials 57 ist, welches für den Formkörper 52 vorgesehen
ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Beschädigung der
Umfangswand 83 bei längerem
Gebrauch verhindert wird und lediglich der Dichtring 82 als
Verschleißteil
entsprechend den Wartungsintervallen ausgetauscht werden muss. Vorteilhafterweise
ist die Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 oberflächenbeschichtet,
beispielsweise verchromt.
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Die
Bodenplatte 44 umfasst eine Wasserkühlung, welche zumindest während des
Aufbaus des Formkörpers 52 in
Betrieb ist. Über
eine Kühlleitung 86,
welche durch die Hubspindel 46 der Bodenplatte 44 zugeführt ist,
wird Kühlflüssigkeit
den in der Bodenplatte 44 vorgesehenen Kühlkanälen zugeführt. Als
Kühlmedium
ist vorzugsweise Wasser vergesehen. Durch die Kühlung kann die Bodenplatte 44 beispielsweise
auf eine im wesentlichen konstante Temperatur von 20°C bis 40°C eingestellt
werden.
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Der
Träger 43 weist
zur Aufnahme eines Formkörpers 52 eine
Substratplatte 51 auf, welche auf den Träger 43 fest
oder lösbar
durch eine Arretierung und/oder eine Ausrichthilfe positioniert
ist. Die Heizplatte 136 wird vor Beginn der Herstellung
eines Formkörpers 52 auf
eine Betriebstemperatur zwischen 300°C und 500°C aufgeheizt, um einen spannungsarmen,
rissfreien Aufbau des Formkörpers 52 zu
ermöglichen.
Der nicht näher
dargestellte Temperaturfühler
erfasst die Aufheiztemperatur oder Betriebstemperatur während des
Aufbaus des Formkörpers 52.
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Die
Bauplattform 49 weist Kühlkanäle 101 auf,
welche sich bevorzugt quer durch die gesamte Bauplattform 49 erstrecken.
Es können
ein oder mehrere Kühlkanäle 101 vorgesehen
sein. Die Position der Kühlkanäle 101 ist
beispielsweise an die Isolierschicht 48 angrenzend gemäß dem Ausführungsbeispiel
dargestellt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle 101 sich
nicht nur unterhalb von Heizelementen 87, sondern auch
oberhalb und/oder zwischen den Heizelementen 87 erstrecken.
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Nach
dem Fertigstellen des Formkörpers 52 wird
der Träger 43 aus
der in 2 dargestellten Bearbeitungsposition in eine erste
Position oder Kühlposition 121 abgesenkt.
Diese Position ist in 3 dargestellt. Bereits während des
Absenkens des Trägers 43 kann
ein Volumenstrom aus der Umgebung über das Filter 126 und
die Versorgungsleitung 111 der Aufbaukammer 42 zugeführt und über die
Auslassöffnung 113 und
Abführleitung 114 aus
der Aufbaukammer 42 abgeführt werden. Bereits zu diesem Zeitpunkt
als auch noch während
des Aufbaus des Formkörpers 52 kann
eine Kühlung
der Aufbaukammer 42 gegeben sein.
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Die
Kühlposition 121 des
Trägers 43 ist
derart vorgesehen, dass Kühlkanäle 101 der
Bauplattform 49 mit der zumindest einen Einlassöffnung 112 und
zumindest einen Auslassöffnung 113 in
der Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 fluchten.
Der Volumenstrom durchströmt
die Kühlkanäle 101,
wodurch zumindest eine Kühlung
der Bauplattform 49 gegeben ist. Die Kühlung kann durch einen gepulsten Saugstrom
erfolgen. Durch die Länge
der Pulsdauer, sowie deren Unterbrechung, kann die Abkühlrate in dem
Formkörper 52 bestimmt
werden. Bevorzugt ist eine gleichmäßige Kühlung über eine vorbestimmte Zeitdauer
vorgesehen, damit der Aufbau von Eigenspannungen im Formkörper 52 gering
gehalten wird. Die Kühlung
kann auch durch einen Volumenstrom vorgesehen sein, der in seiner
Durchflussmenge kontinuierlich zunimmt oder abnimmt. Ebenso kann ein
Wechsel zwischen Zu- und Abnahme vorgesehen sein, um die gewünschte Abkühlrate zu
erzielen. Durch den in der Heizplatte 136 vorgesehenen
Temperaturfühler
kann die Abkühlrate
erfasst werden. Gleichzeitig kann über diesen Temperaturfühler die noch
verbleibende Temperatur des Formkörpers 52 abgeleitet
werden. Diese Kühlposition 121 wird
solange eingehalten, bis der Formkörper 52 auf eine Temperatur
von beispielsweise weniger als 50°C
abgekühlt
ist. Gleichzeitig kann in dieser Kühlposition 121 die
Bodenplatte 44 weiterhin gekühlt werden. Zusätzlich kann
ebenso vorgesehen sein, dass an die Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 angrenzend oder in der Umfangswand 83 der
Aufbaukammer 42 Kühlkanäle oder
Kühlschläuche vorgesehen
sind, welche ebenfalls dazu beitragen, dass eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und des Trägers 43 ermöglicht ist.
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Nach
dem Kühlen
des Formkörpers 52 auf die
gewünschte
oder voreingestellte Temperatur, wird der Träger 43 in eine weitere
Position oder Absaugposition 128 überführt, welche in 4 dargestellt
ist. Diese beispielhaft dargestellte Absaugposition 128 dient
zum Entfernen, insbesondere zur Absaugung, des Aufbaumaterials 57,
welches beim Herstellen des Formkörpers 52 nicht verfestigt
wurde. Vor dem Anlegen eines Saugstromes, der die Aufbaukammer 42 durchströmt, wird
die Aufbaukammer 42 durch ein Verschlusselement 123 geschlossen.
Dieses Verschlusselement 123 weist Befestigungselemente 124 auf,
welche an oder in der Öffnung 32 angreifen,
um das Verschlusselement 123 dicht zur Aufbaukammer 42 festzulegen.
Das Verschlusselement 123 ist bevorzugt transparent ausgebildet,
so dass das Absaugen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 überwacht
werden kann. Durch einen die Aufbaukammer 42 durchströmenden Saugstrom
wird eine Verwirbelung in der Aufbaukammer 42 erzeugt,
wodurch das nicht verfestigte Aufbaumaterial 57 abgesaugt
und der Abscheidevorrichtung 107 und dem Filter 108 zugeführt wird.
Gleichzeitig erfolgt durch die Absaugung weiterhin eine Kühlung der
Aufbaukammer 42, des Formkörpers 52 und der Bauplattform 49.
Zusätzlich
kann über
zumindest eine Düse
in dem Verschlusselement 123 eine weitere Luftzufuhr ermöglicht sein.
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Die
Absaugung des Aufbaumaterials 57 kann durch einen konstanten
Volumenstrom, einen gepulsten Volumenstrom oder einen Volumenstrom mit
einem zunehmenden oder abnehmenden Massendurchsatz betrieben werden.
Nach einer vorgegebenen Zeitdauer der Absaugung oder einer durch das
Bedienpersonal einstellbaren Zeitdauer wird die Absaugung beendet.
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Zur
Entnahme des Formkörpers 52 wird
das Verschlusselement 123 von der Aufbaukammer 42 abgenommen
und der Träger 43 fährt in eine
obere Position, so dass der Formkörper 52 zumindest
teilweise oberhalb der Bodenfläche 41 der
Prozesskammer 21 zur Entnahme positioniert wird.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
für die Zuführung des
Aufbaumaterials 57 über
eine Zuführeinrichtung 72 in
die Prozesskammer 21 darge stellt. Der Teilschnitt zeigt
einen Zuführkanal 71,
der mit einem nicht näher
dargestellten Sammelbehälter
oder Vorratsbehälter
in Verbindung steht und Aufbaumaterial 57 bereitstellt.
Die Zuführeinrichtung 72 umfasst einen
Schieber 73, welcher vorzugsweise eine schlitzförmige Öffnung 74 aufweist,
die in einer ersten Position ermöglicht,
dass das Aufbaumaterial 57 in die Öffnung 74 gelangt.
Nach Positionieren des Schiebers 73 in einer zweiten Position
wird das in der Öffnung 74 gespeicherte
Aufbaumaterial 57 über
einen Spalt 76 in die Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 befördert, welche
im Anschluss daran durch eine Hin- und Herbewegung gemäß Pfeil 77 das
Aufbaumaterial 57 in die Aufbaukammer 42 überführt. An den
Umkehrpunkten für
die Hin- und Herbewegung der Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 sind
in der Bodenfläche 41 Aussparungen 79 vorgesehen, durch
welche überschüssiges Aufbaumaterial 57 in eine
Aufnahme oder Pulverfalle 80 abgeführt werden kann. Somit ist
nach dem Einbringen des Aufbaumaterials 57 in die Aufbaukammer 42 die
Bodenfläche 41 im
wesentlichen frei von Aufbaumaterial 57.
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Durch
die Ausgestaltung der Zuführeinrichtung 72 ist
eine portionierte Zuführung
von Aufbaumaterial 57 in die Prozesskammer 28 ermöglicht.
Des weiteren ist durch diese Zuführeinrichtung 72 ermöglicht,
dass ein einfacher und schneller Wechsel von einem Aufbaumaterial 57 zu
einem weiteren Aufbaumaterial 57 gegeben ist, da diese
Zuführeinrichtung 72 eine
nahezu rückstandsfreie
Einbringung des Aufbaumaterials 57 in die Prozesskammer 21 ermöglicht.
Weitere Lösungen
zur Ausgestaltung der Zuführeinrichtung 72 sind
ebenfalls möglich.
Beispielsweise kann die portionierte Zuführung des Aufbaumaterials 57 auch über ein
steuerbares Verschlusselement und ein Sensorelement erfolgen, mit
dem die Zuführmenge
bestimmt wird. Ebenso ist es möglich, anstelle
der beschriebenen Auftrag- und Nivelliereinrichtung 56 eine
Einrichtung zu verwenden, die das Aufbaumaterial 57 nach
Art eines Bedruckungsverfahrens in die Aufbaukammer 42 aufbringt.
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Das
Doppelkammer- oder Mehrkammerprinzip wird nachfolgend anhand der 6 beschrieben, welche
eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung 11 zeigt,
wobei gleichzeitig auch auf die vorangegangenen Figuren Bezug genommen
wird.
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Jede
Prozesskammer 21, 24 umfasst ein Filter 126,
durch das gereinigte Umgebungsluft über eine Zuführleitung 111 einer
Aufbaukammer 42 zugeführt
wird. Aus der Aufbaukammer 42 führt eine Abführleitung 114 den
Volumenstrom ab, der außerhalb des
Gehäuses 31 einer
Abscheidevorrichtung 107 zugeführt wird. Dieser ist ein Filter 108 nachgeschalten.
Des Weiteren umfasst die Prozesskammer 21, 24 jeweils
eine Leitung 106, welche das in einer Pulverfalle 80 aufgefangene
Aufbaumaterial 57 aus dem Gehäuse 31 abführt und
der Abscheidevorrichtung 107 beziehungsweise der Abführleitung 114 zuführt. Diese
Leitung 106 steht mit einer Auslassöffnung der Pulverfalle 80 in
dem Gehäuse 31 in
Verbindung, durch welche nicht benötigtes Aufbaumaterial 57 aufgenommen
wird.
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Jeder
Prozesskammer 21, 24 sind als Sperrventile ausgebildete
Sperreinrichtungen 176 zugeordnet. Diese Sperreinrichtungen 176 sind
in einer bevorzugten Ausführungsform
in der Auslassöffnung 113 der
Abführleitung 114 sowie
in den Auslassöffnungen
der Pulverfalle 80 vorgesehen, in welche die Leitung zur
Pulverabfuhr münden.
Des Weiteren können
diese Sperreinrichtungen 176 zwischen der Prozesskammer 21, 24 in
einem Leitungsabschnitt der Abführleitung 114 und
der Leitung 106 vor einer Abscheidevorrichtung 107 vorgesehen
sein. Des Weiteren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass in einer Absaugleitung 117 einer
Düse 116 zur
Handabsaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 oder der
Düse 116 zugeordnet
ebenfalls eine Sperreinrichtung 176 vorgesehen ist. Zusätzlich können zur Erhöhung der
Sicherheit weitere Sperreinrichtungen 176 vorgesehen sein.
Beispielsweise kann eine Sperreinrichtung 176 in der Einlassöffnung 112 der Zuführleitung 111 vorgesehen
sein. Des Weiteren kann zusätzlich
eine Sperreinrichtung 176 in der jeweils von der Prozesskammer 21, 24 in
das Gebläse 109 mündenden
Verbindungsleitungen 118 vorgesehen sein, um weitere Sicherheitsfunktionen
auszubilden.
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Die
Sperreinrichtungen 176 sind einzeln oder in Funktionsgruppen
zusammengefasst ansteuerbar, so dass die Ansteuerung in die einzelnen
Arbeitsprozesse, wie Herstellen des Formkörpers, Abkühlen des Trägers und Absaugen des nicht
verfestigten Aufbaumaterials 57, eingebunden sind. Dadurch
wird sichergestellt, dass beispielsweise beim Absaugen von nicht
verfestigtem Aufbaumaterial 57 oder Abkühlen des Trägers 43 in der Prozesskammer 21 durch
Schließen
der Sperreinrichtungen 176 der Prozesskammer 24 eine
hermetische Abriegelung der Prozesskammer 24 zur Prozesskammer 21 gegeben
ist. Bevorzugt werden als Sperreinrichtung 176 Quetschventile
eingesetzt, die eine hohe Standfestigkeit aufweisen.
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Die
Ansteuerung der Sperreinrichtungen 176 erfolgt bevorzugt
in Abhängigkeit
der Position des Trägers 43 in
der Aufbaukammer 42. Des Weiteren kann auch vorgesehen
sein, dass das Signal zur Ansteuerung der Sperreinrichtungen 176 mit
dem Steuersignal zum Betrieb des Gebläses 109 gekoppelt
ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass alle Sperreinrichtungen 176 im
Ruhezustand geschlossen sind und dass während des Absaugens beziehungsweise
des Kühlens
in einer Prozesskammer 21, 24 nur die dafür erforderlichen
Sperreinrichtungen 176 geöffnet werden.
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In
die Abscheidevorrichtung 107 mündet des Weiteren eine Absaugleitung 117,
welche eine Düse 116 zur
manuellen Reinigung der Prozesskammer 21, 24 sowie
des weiteren Umfeldes der Prozesskammer 21, 24 ermöglicht.
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An
der Düse 116 beziehungsweise
an einem Rahmen zur Aufnahme der Düse 116 ist ein Sensorelement
vorgesehen, welches beim Herausnehmen der Düse 116 aus der Halterung
zur Handabsaugung automatisch das Gebläse 109 zuschaltet
und die zugehörige
Sperreinrichtung 176 öffnet,
so dass die Düse 116 betriebsbereit
ist. Die weiteren Sperreinrichtungen 176 bleiben hierbei
geschlossen.
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Die
zumindest zwei Prozesskammern 21, 24 weisen des
Weiteren vorzugsweise jeweils ein getrenntes Kühlsystem 103 (1)
auf, welches Komponenten in und an dem Gehäuse 31 kühlt.
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Die
aus der Aufbaukammer 42 abgeführte Luft/Gas und das abgeführte Aufbaumaterial 57 werden
somit jeweils einer jeder Prozesskammer 21, 24 zugeordneten
Abscheidevorrichtung 107 und einem dieser nachgeschalteten
Filter 108 zugeführt.
Die Abscheidevorrichtung 107 umfasst einen Auffangbehälter, in
welchem das abgeführte
Aufbaumaterial 57 gesammelt wird. Dieses gesammelte Aufbaumaterial 57 kann
durch ein Sieb zwischen der Abscheidevorrichtung 108 und
dem Auffangbehälter
gereinigt werden oder einer externen Aufbereitungsanlage zugeführt werden,
um im Anschluss über
die Zuführeinrichtung 72 für den weiteren
schichtweisen Aufbau eines Formkörpers 52 verwendet
zu werden. Durch die getrennte Absaugung, welche für jede Prozesskammer 21, 24 vorgesehen
ist, können
unterschiedliche Aufbaumaterialien eingesetzt werden, wobei eine Vermischung
oder eine Verunreinigung des Aufbaumaterials 57 unterbunden
ist. Insbesondere durch die Sperreinrichtungen 176 werden
Beeinflussungen oder Vermischungen innerhalb der jeweiligen Kreisläufe, welche
für jede
Prozesskammer 21, 24 ausgebildet sind, verhindert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist des Weiteren vorteilhafterweise eine Löschanlage auf, welche für jede Prozesskammer 21, 24 vorgesehen und
in die jeweilige Absaugung zumindest teilweise integriert ist. In
der Absaugung ist ein thermisches Überwachungselement vorgesehen,
welches die Temperatur in der Absaugung überwacht. Sobald ein auf das
Aufbaumaterial 57 anpassbarer und einstellbarer Grenzwert überschritten
wird, gibt dieses Überwachungselement
ein Notstoppsignal an die Steuer- und Recheneinheit 26 aus.
Daraufhin wird das Gebläse 109 stillgesetzt.
Gleichzeitig werden die Leitungen 106, 114, 117, 118 mit
Schutz- oder Inertgas befüllt
und die Sperreinrichtungen 176 geschlossen. Unmittelbar
im Anschluss daran werden die Sperreinrichtungen 176 geschlossen.
Durch diese Maßnahme
wird erreicht, dass der für
eine mögliche
Verbrennung erforderliche Sauerstoff durch das Schutzgas verdrängt wird.
Diese Löschanlage
weist den Vorteil auf, dass nach einem Reinigungsprozess sämtliche
Bauteilkomponenten für
die weitere Herstellung von Formkörpern 52 verwendet
werden können.
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Zumindest
zwei Prozesskammern 21, 24 werden gemeinsam durch
ein Gebläse 109 betrieben.
Dieses Gebläse 109 ist
bevorzugt als Radialgebläse
ausgebildet und steht über
Verbindungsleitungen 118 mit den je weiligen Abscheidevorrichtungen 107 und
Filtern 108 der Prozesskammern 21, 24 in Verbindung.
Durch diese vorteilhafte Anordnung und Ausgestaltung der Prozesskammern 21, 24 sowie deren
Zuordnung von Bauteilkomponenten und der Einbindung von Sperreinrichtungen 176 kann
erzielt werden, dass jede Prozesskammer 21, 24 autark ausgebildet
und hermetisch abgeriegelt ist. Ebenso ist eine gemeinsame Strahlquelle 16 und
eine gemeinsame Strahlablenkeinrichtung 18 vorgesehen. Die
weiteren Komponenten sind entsprechend der Anzahl der Prozesskammern 21, 24 vorgesehen,
wodurch ermöglicht
wird, dass geschlossene Materialkreisläufe sowohl für das Aufbaumaterial 57 als
auch das Schutz- oder Inertgas gegeben sind.
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Während des
Aufbaus und der Herstellung eines Formkörpers 52 in einer
Prozesskammer 21 können
in der zumindest einen weiteren Prozesskammer 24 Umrüstarbeiten
oder die Absaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 und/oder
die Kühlung
des Formkörpers 52 durchgeführt werden, ohne
dass die benachbarte oder die benachbarten Prozesskammern beeinflusst
werden. Dadurch kann eine optimale Auslastung der Strahlquelle 16 gegeben
sein. Zusätzlich
können
in jeder Prozesskammer 21, 24 unterschiedliche
Formkörper 52 mit
unterschiedlichen Aufbaumaterialien 57 und Herstellungsparametern
aufgebaut werden.
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Das
vorgenannte Prinzip ist nicht auf Doppelkammersysteme beschränkt. Vielmehr
können
auch drei oder mehrere Prozesskammern 21, 24 einander zugeordnet
werden. Eine Strahlablenkeinrichtung 18 kann jeweils zur
Prozesskammer 21, 24 positioniert werden, um einen
abgelenkten Strahl auf die gewünschte
Stelle innerhalb der Arbeitsebene zu führen. Alternativ kann ebenso
vorgesehen sein, dass die Strahlquelle 16 und Strahlablenkeinrichtung 18 feststehend
ausgebildet sind und die Prozesskammern 21, 24 relativ
zur Strahlablenkeinrichtung 18 bewegt werden. Beispielsweise
ist eine Karussellanordnung denkbar. Bei dieser Ausgestaltung kann ebenso
vorgesehen sein, dass sowohl die Strahlablenkeinrichtung 18 und/oder
die Strahlquelle 16 als auch die Prozesskammern 21, 24 relativ
zueinander verfahrbar angeordnet sind.
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In 7 ist
eine alternative Ausführungsform einer
Aufbaukammer 42 dargestellt, bei der gleichzeitig ein Entfernen
von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 und eine Kühlung des
Trägers 43,
insbesondere der zumindest einen Bauplattform 49, ermöglicht ist.
Hierfür
sind in einer Umfangswand 83 der Aufbaukammer 42 zumindest
eine schlitzförmige Einlassöffnung 112 und
gegenüberliegend
zumindest eine schlitzförmige
Auslassöffnung 113 vorgesehen. Die
Einlassöffnung 112 wird
von einer Zuführleitung 111 mit
Umgebungsluft versorgt, welche durch ein Filter 126 gereinigt
ist.
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Über vorzugsweise
Luftleitelemente wird der angesaugte Volumenstrom aufgeteilt, so
dass beispielsweise ein erster Volumenstrom an Umgebungsluft einem
oberen Abschnitt der Einlassöffnung 112 zum
Entfernen von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 zugeführt wird
und ein zweiter Volumenstrom einem unteren Abschnitt der Einlassöffnung 112 Zügeführt wird,
um die Kühlkanäle 101 zu
durchqueren. Auf der Auslassseite werden über jeweils den Einlassöffnungen 112 zugeordnete
Auslassöffnungen 113 die
Volumenströme
abgeführt
und beispielsweise einer gemeinsamen Abscheidevorrichtung 107 und
einem Filter 108 zugeführt. Über ein Gebläse 109 wird
der Volumenstrom gesteuert und eine Ansaugung ermöglicht.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Volumenströmeinnerhalb der
Einlassöffnung 112 jeweils
separat steuerbar sind, so dass beispielsweise der Volumenstrom
zur Absaugung von nicht verfestigtem Aufbaumaterial 57 größer als
der Volumenstrom zur Kühlung
der Bauplattform 49 vorgesehen sein kann. In der Zuführleitung 111 können vorteilhafterweise
separat oder gemeinsam steuerbare Drosselelemente oder Drosselklappen
an den Luftleitelementen vorgesehen sein. Alternativ kann vorgesehen
sein, dass die Zuführleitungen 111 getrennt
ausgebildet sind und jeweils ein Filter 126 aufweisen.
Eine gemeinsame Auslassöffnung 113 ist
bevorzugt gegenüberliegend
vorgesehen. Durch die Dimensionierung des Querschnitts der Leitungen 111 und 114 und/oder
durch die Steuerung des Gebläses 109 können die
Volumenströme gesteuert
werden. Ebenso können
zur Steuerung der Volumenströme
Sperreinrichtungen 176 vorgesehen sein.
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Diese
Ausgestaltung gemäß 7 weist
den Vorteil auf, dass in einer Position des Trägers 43 die Kühlung und
Absaugung gleichzeitig vorge nommen werden kann oder dass in einer
Position nacheinander die Kühlung
und/oder Absaugung erfolgen kann, wobei dann entsprechende Sperreinrichtungen 176 in
den Zuführleitungen 111 oder
der Einlassöffnung angesteuert
werden, um die Volumenströme
zu steuern. Sofern der Träger 43 weitere
Kühlkanäle aufweist,
können
auch noch weitere Zuführleitungen
in die Aufbaukammer 42 münden, um eine gleichzeitige oder
nacheinander folgende Kühlung
und/oder Absaugung in einer Kühl- und Absaugposition
durchzuführen.