EP4514503A1 - Filtersystem mit individuell abtrennbaren filterkammern - Google Patents

Filtersystem mit individuell abtrennbaren filterkammern

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Publication number
EP4514503A1
EP4514503A1 EP23724202.9A EP23724202A EP4514503A1 EP 4514503 A1 EP4514503 A1 EP 4514503A1 EP 23724202 A EP23724202 A EP 23724202A EP 4514503 A1 EP4514503 A1 EP 4514503A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
gas
chambers
gas circuit
filter chambers
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23724202.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias EBERHORN
Ulrich Kleinhans
Jörn REHSÖFT
Philip STRÖBEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EOS GmbH
Original Assignee
EOS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EOS GmbH filed Critical EOS GmbH
Publication of EP4514503A1 publication Critical patent/EP4514503A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/70—Recycling
    • B22F10/77—Recycling of gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/70—Gas flow means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
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    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/90—Means for process control, e.g. cameras or sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for providing a process gas atmosphere during an additive manufacturing process, as well as to an additive manufacturing method adapted thereto and an additive manufacturing device adapted thereto.
  • Devices and methods for the additive manufacturing of three-dimensional objects are used, for example, in processes referred to as “rapid prototyping", “rapid tooling” and “additive manufacturing”.
  • An example of such a process is known as “selective laser sintering” or “selective laser melting”.
  • a layer of a generally powdery building material is repeatedly applied and the building material is selectively solidified in each layer by selectively irradiating points corresponding to the cross section of the object to be produced in this layer with a laser beam, for example by the building material being provided at these points by the laser beam Energy is partially or completely melted and the melt then solidifies when it cools. Further details are described, for example, in EP 2 978 589 B1.
  • a process gas atmosphere is often maintained in a process chamber in which the build material is selectively treated using radiation.
  • the process gas atmosphere is usually an inert gas atmosphere (also referred to as a "protective gas atmosphere"), since some construction materials, especially if they contain metal, tend to oxidize at the high temperatures that occur, which prevents the formation of objects or at least the formation of objects with the desired material structure. For example, titanium could begin to burn uncontrollably in the presence of oxygen.
  • part of the building material is often vaporized as a result of the irradiation, which leads to the formation of condensates after the resulting vapors have re-solidified. Furthermore, some of the building material is often stirred up. In addition, the irradiation can cause spattering. These are usually solidified drops of the melt of the building material with a diameter between, for example, 20 and 300 pm. For example, spatters are thrown out of the resulting melt or melt pool when the laser beam penetrates.
  • a laser beam scanning (scanning) the building material can be absorbed, scattered or deflected by contaminants contained in the process gas atmosphere.
  • contaminants can also be deposited on a coupling window for the laser beam or deposited on the surface of a layer of building material.
  • the process gas such as argon, is circulated.
  • a filter device with a suitable filter element is arranged in the process gas circuit. Since the filter elements used become increasingly dirty during operation, they must be replaced at certain intervals. To do this, the process gas circuit is interrupted and the filter element is removed. After inserting a new filter element, the process gas circuit is then put into operation again.
  • DE 102014 207 160 A1 proposes carrying out cyclic cleaning of a filter element using a gas pressure surge in order to extend the replacement interval of the filter element.
  • EP 3 321 071 A1 addresses the problem that the operation of an additive manufacturing device must be interrupted when the filter element is replaced, since an additive building process can only be carried out if the process gas stream is filtered.
  • a switching device is proposed, by means of which several filter modules can be individually switched into an operating state in which the process gas can flow through them, and into a non-operating state in which the process gas cannot flow through them. This can ensure that operation of the additive manufacturing device does not have to be interrupted while a filter element is being replaced.
  • the object is achieved by a device and a method for providing a process gas atmosphere according to claims 1 and 14 and by an additive manufacturing device and an additive manufacturing method according to claims 13 and 20. Further developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the methods can also be further developed by the features of the devices listed in the description or the dependent device claims. Likewise, the devices can also be further developed by the features of the methods listed in the description or the dependent method claims.
  • a device for providing a process gas atmosphere during a manufacturing process of a three-dimensional object in a process chamber of an additive manufacturing device, in which the object is manufactured by applying a building material layer by layer and the building material by supplying radiation energy to solidification points in each layer, which is the Cross section of the object in this layer is assigned, is solidified, which has a gas circulation system with a gas circuit that is closed during operation for a process gas passed through the process chamber, wherein a filter system with a plurality of filter chambers is arranged in the closed gas circuit, is characterized in that at least three filter chambers are present, each of which has at least one filter element for filtering particles in the gas circuit, and a gas control device is present for controlling the gas circuit, which is set up to control a number of filter chambers from the during the ongoing manufacturing process Can separate gas circuit and thereby ensure that at least temporarily, preferably constantly, a number of filter chambers remaining in the gas circuit exceeds the number of filter chambers separated from the gas circuit.
  • Additive manufacturing devices to which the invention relates are in particular those which are suitable for the generative production of three-dimensional objects, in particular from a metal-containing structural material.
  • this refers to those manufacturing devices in which the objects are layered be constructed, for example laser melting and laser sintering devices.
  • one or more gas or solid-state lasers or any other type of laser can be used to supply the radiation energy, for example laser diodes, in particular VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) or VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), or a row of these lasers .
  • VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser
  • VECSEL Very External Cavity Surface Emitting Laser
  • a row of these lasers for example, another light source, an electron beam or any other energy or radiation source that is suitable for solidifying the building material can be used.
  • non-layered generative devices in which work is carried out at a high process temperature in order to melt building material with a high melting point, for example laser cladding devices.
  • a device with a laser instead of a device with a laser, a device can also be used in which an electron beam is used to introduce the energy necessary to melt the building material.
  • Metal-containing construction materials are preferably used, for example iron and/or titanium-containing construction materials, but also copper, magnesium, aluminum, tungsten, cobalt, chromium and/or nickel-containing materials.
  • the elements mentioned can be present in almost pure form (making up more than 80 percent by weight of the structural material) or as part of alloys.
  • a process chamber is considered to be an area of the manufacturing device in which the additive manufacturing process takes place and which is enclosed by a casing so that a different gas atmosphere can be maintained in its interior than that in the surroundings of the manufacturing device.
  • the process gas inside the process chamber can in particular be an inert gas, for example nitrogen, helium or argon, whereby the process gas can also contain mixtures of various chemical elements and the pressure in the process chamber can optionally also be below atmospheric pressure.
  • the process gas also has other components in addition to inert gases.
  • the gas circulation system has a gas delivery device, e.g. B. a high-pressure fan or centrifugal fan, and a gas line system, by means of which the gas can be passed through the process chamber in a closed circuit, so that a gas flow can be provided in the process chamber during a manufacturing process.
  • a gas delivery device e.g. B. a high-pressure fan or centrifugal fan
  • a gas line system by means of which the gas can be passed through the process chamber in a closed circuit, so that a gas flow can be provided in the process chamber during a manufacturing process.
  • the gas delivery device ensures a continuous process gas flow, in which process gas, which was passed through the process chamber, is fed to a filter system and is fed back to the process chamber by the filter system, so that a closed gas circuit is created.
  • the filter system contains at least one filter chamber through which the process gas stream is passed.
  • the side of the filter chamber on which the process gas stream enters the filter chamber is also referred to below as the raw gas side.
  • the side of the filter chamber on which the process gas stream leaves the filter chamber again after passing through a filter element is also referred to below as the clean gas side.
  • each filter chamber There is at least one filter element in each filter chamber, which means that there can also be two or more filter elements in a filter chamber, on which maintenance can be carried out after the filter chamber has been separated from the gas circuit.
  • the gas control device may include a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored on a storage medium from which it can be loaded into the gas control device.
  • the prerequisite for this is that the corresponding control unit is connected to the device via connecting cables or wirelessly Hardware components are connected, by means of which filter chambers can be separated from the gas circuit.
  • a wireless connection can be implemented using radio, WLAN, NFC, Bluetooth or the like in that the control unit has appropriate receivers and transmitters.
  • each filter chamber contributes to an overall flow resistance due to the filter(s) arranged in it, which results from the parallel connection of the flow resistances of the individual filter chambers. If individual filter chambers are separated from the gas circuit, the overall flow resistance changes suddenly. Especially with large volume flows, the ability of the gas delivery device to adapt the delivery rate to the changed overall flow resistance is limited. This results in fluctuations in the volume flow through the process chamber and, as a result, in discontinuities or structural heterogeneities in the manufactured objects.
  • a high volume flow is usually accompanied by a high speed of the process gas flowing through the process chamber.
  • the procedure according to the invention guarantees that the process gas velocity remains essentially constant, that is to say it fluctuates within a small interval at most. This ensures a constant removal of Contamination arising during the construction process (splashes, smoke, etc.) is taken care of if the procedure according to the invention is carried out during a manufacturing process in the process chamber of the additive manufacturing device.
  • ensuring that a number of filter chambers remaining in the gas circuit exceeds the number of filter chambers separated from the gas circuit can, for. B. should be avoided when no construction process is taking place in the process chamber, but in order to avoid that the process chamber is contaminated from outside, a process gas flow is still maintained in the process chamber, albeit with a reduced process gas velocity.
  • the fluctuations in the volume flow when separating filter chambers can be limited and thus a high quality of the manufactured objects can be ensured.
  • Ensuring that a number of filter chambers remaining in the gas circuit exceeds the number of filter chambers separated from the gas circuit can, for example, be implemented in such a way that before a filter chamber is separated from the process gas stream, it is checked whether such a separation reduces the number of filter chambers in the gas circuit remaining filter chambers no longer exceeds the number of filter chambers separated from the gas circuit, and the separation is only carried out if this is not the case.
  • the gas control device prevents the gas control device from exceeding a maximum number of filter chambers decoupled from the process gas flow at any one time.
  • this maximum number can be stored in a memory and adjusted when the total number of filter chambers that can be connected to the process chamber changes. It should also be noted that in this application there is often talk of cleaning or replacing filter elements in relation to the invention, but the present invention is not limited to this. Rather, it leads to advantages in all cases in which - for whatever reason - filter chambers should be separated from the gas circuit or should also be inserted into it.
  • the device is designed to simultaneously separate a plurality of filter chambers from the gas circuit for a maintenance process (e.g. cleaning or replacing filter elements). This means that maintenance can be carried out more efficiently because filter elements can be cleaned or replaced in parallel.
  • a maintenance process e.g. cleaning or replacing filter elements
  • each of the filter chambers has at least one filter element for filtering particles in the gas circuit, which can be cleaned and/or replaced by a burst of gas pressure.
  • a filter coating consisting of a layer of compacted and/or adhering particles, generally referred to as "filter cake", forms on the filter elements.
  • This filter cake hinders the gas flow and leads to an ever-increasing pressure drop across the filter.
  • the most common maintenance procedure on a filter chamber is therefore to reduce the pressure drop across a filter chamber. This is usually done by cleaning a filter element using a burst of gas pressure. Additionally or alternatively, the filter element with the deposits can be removed from the filter chamber and replaced by another filter element without deposits.
  • the filter chamber usually has to be opened so that components of the ambient atmosphere can get into the opened filter chamber and to the filter element to be replaced.
  • the filter element itself preferably has no housing to prevent the access of ambient air to the filter element when the filter element is changed.
  • the plurality of filter chambers have a substantially equal volume and/or the filter elements have a substantially identical filter surface and/or have a similar filter medium and/or have supply lines and discharge lines connected to the plurality of filter chambers Essentially the same opening cross-sectional area.
  • the filter chambers with filter elements arranged therein preferably have the same flow resistance without deposits.
  • a filter chamber combination includes all other elements that are arranged together with the filter chamber in parallel to other filter chamber combinations in the gas circuit.
  • the flow resistance of supply and discharge lines is determined in particular by the (minimum) opening cross-sectional area.
  • An equal flow resistance can be realized, for example, in such a way that all filter chambers, in particular all filter elements, have the same structure, so that they contribute in the same way to the overall flow resistance when the filter chambers are arranged parallel to one another in the flow.
  • the filter elements of all filter chambers can also have the same filter medium, which means that the filter elements are made of the same material (e.g. fabric filter with 20pm polyester fibers or PE-S interfilter) and/or belong to the same filter class.
  • the gas control device is set up in such a way that it ensures that during the ongoing manufacturing process, at least temporarily, preferably constantly, a numerical ratio of filter chambers not separated from the process gas circuit to filter chambers separated from the process gas circuit is greater than or equal to a minimum value of 55: 45, preferably 60:40, more preferably 2:1, even more preferably 70:30, even more preferably 3:1, particularly preferably 4:1.
  • a numerical ratio of filter chambers not separated from the process gas circuit to filter chambers separated from the process gas circuit is greater than or equal to a minimum value of 55: 45, preferably 60:40, more preferably 2:1, even more preferably 70:30, even more preferably 3:1, particularly preferably 4:1.
  • the greater the ratio between filter chambers not separated from the process gas circuit to filter chambers separated from the process gas circuit i.e.
  • a minimum value can be specified for the ratio, which must not be fallen below .
  • a minimum value of 3:2 can be specified, if there are 10 filter chambers, a minimum value of 60:40 can be specified, or if there are 20 filter chambers, a minimum value of 55:45 can be specified.
  • all filter chambers arranged in the gas circuit are always arranged in parallel to one another.
  • filter chambers it is also possible for a plurality of filter chambers to be arranged one behind the other and for this arrangement to be arranged parallel to further filter chambers or further arrangements of filter chambers one behind the other.
  • filter elements located upstream can carry out pre-filtering of the process gas, so that filter elements located downstream can carry out fine filtering.
  • filter chambers it is also possible to design only the filter element(s) located upstream so that they can be cleaned and/or replaced.
  • the at least three filter chambers are partial spaces of one or more main chambers of the filter system that are separated from one another in a gas-tight manner.
  • the main chamber For the overall flow resistance, which is important in the context of the present invention, it does not matter whether the plurality of filter chambers are spatially separated from one another or whether the plurality of filter chambers are partial areas of a single chamber, the main chamber. In the latter case, it is only important that the partial areas are separated from one another in a gas-tight manner so that the individual filter chambers can be sealed off from the gas circuit independently of one another.
  • a switching unit is provided upstream for each of the at least three filter chambers and/or a switching unit downstream, by means of which this filter chamber can be isolated from the gas circuit separately from the other filter chambers.
  • the gas control device is preferably designed so that it can control one or more switching units or valves upstream and/or one or more switching units or valves downstream of the plurality of filter chambers.
  • the gas control device can separate one or more filter chambers from the gas circuit, so that the process gas then only flows through the filter chambers still remaining in the gas circuit.
  • a switching unit can in particular be a controllable valve, for example a pinch valve.
  • the switching units can be controlled either via connecting cables or wirelessly. This can happen independently of a manufacturing process running in the additive manufacturing device. Although it is possible to seal off several filter chambers together from the gas circuit, you have more freedom if there is the option to seal off each filter chamber separately from the gas circuit.
  • a pressure sensor is provided upstream and downstream for each of the at least three filter chambers, so that a differential pressure between a raw gas side and a clean gas side of a filter element in the filter chamber can be determined.
  • an occupancy level of the filter element can be derived from the differential pressure separately for each filter chamber and a decision can be made individually for each filter chamber as to whether the filter element needs to be cleaned or replaced. Even if theoretically other components in addition to the filter element can influence the pressure difference determined by the pressure sensors, it is still the filter element that largely dominates the existing pressure difference.
  • a pressure sensor in order to determine a differential pressure between a raw gas side and a clean gas side of a plurality of filter chambers, preferably all filter chambers, a pressure sensor is upstream of a fork in a supply line of the raw gas to the plurality of filter chambers and a pressure sensor is downstream of a combination of discharges of the clean gas from the A plurality of filter chambers are provided and the differential pressure is determined by comparing the pressure values of the two pressure sensors.
  • the reduced number of pressure sensors results in a more cost-effective device.
  • the gas control device is connected via signal connections to the pressure sensors upstream and downstream of a filter chamber and is set up to cause a filter element to be cleaned between these pressure sensors, if one of the pressure sensors received differential pressure exceeds a predetermined maximum value.
  • a signal connection can be either a signal line or a wireless connection (for example via radio, WLAN, NFC, Bluetooth or the like), which allows communication between the gas control device and the pressure sensors, in particular the transmission of sensor values to them Gas control device.
  • the differential pressure determined by the two pressure sensors upstream and downstream provides general information about the occupancy status of the filter elements arranged between the pressure sensors. If a plurality of filter chambers are arranged between the two pressure sensors, then if the predetermined maximum value is exceeded in all of these filter chambers, the filter elements can be cleaned or replaced, taking into account according to the invention the number of filter chambers remaining in the gas circuit.
  • a sensor for determining a volume flow of the process gas in the closed gas circuit is arranged downstream of the filter system, which is connected to the gas control device via a signal connection, the gas control device being set up to initiate cleaning of a filter element, if a The volume flow value received by the sensor falls below a predetermined minimum value.
  • a too large drop in the volume flow of the process gas downstream of the filter system indicates that the filter system has too great a flow resistance due to occupancy of filter elements.
  • a too large drop in volume flow can lead to insufficient removal of contaminants from the process chamber.
  • the volume flow sensor is connected to the gas control device via a signal connection, then the device can automatically eliminate unwanted fluctuations in the volume flow (and thus the quality of the manufactured objects).
  • the sensor for determination of the volume flow can be used alternatively or as an additional safeguard in addition to pressure sensors to determine a differential pressure upstream and downstream of filter chambers in order to initiate cleaning or replacement of filter elements.
  • the volume flow sensor not downstream of the entire filter system, but downstream of a filter chamber or the merging of the derivatives of a plurality of filter chambers, in order to be used as an alternative or in addition to the pressure sensors upstream and downstream of the filter chambers. If, in addition to the values of the sensor for determining the volume flow, the differential pressure values applied to the individual filter chambers are also taken into account, then the interaction of the information from the pressure sensors and the sensor for the volume flow allows a fairly differentiated decision to be made as to which filter elements need to be cleaned or replaced and when .
  • the gas circulation system has a fan.
  • the fan as a gas delivery system can in particular be a high-pressure fan.
  • the gas delivery system should preferably be designed so that it can react sufficiently quickly to changes in the flow resistance (can keep the volume flow sufficiently constant) if the flow resistance changes abruptly, for example by separating filter chambers from the gas circuit or introducing filter chambers into the gas circuit changes.
  • the fan could be a centrifugal fan.
  • An additive manufacturing device with a process chamber for producing a three-dimensional object has a device according to the invention for providing a process gas atmosphere.
  • a method according to the invention for providing a process gas atmosphere during a manufacturing process of a three-dimensional object in a process chamber of an additive manufacturing device in which the object is manufactured by applying a building material layer by layer and the building material by supplying radiation energy to solidification points in each layer, which is the Cross-section of the object in this layer is solidified, wherein in the method for providing a process gas atmosphere, a process gas passed through the process chamber is moved by means of a gas circulation system in a closed gas circuit, wherein a filter system with a plurality of filter chambers is arranged in the closed gas circuit , is characterized in that there are at least three filter chambers, each of which has at least one filter element for filtering particles in the gas circuit, which can be cleaned by a gas pressure surge, and a number of filter chambers are separated from the gas circuit during the ongoing manufacturing process, whereby it is ensured that at least temporarily, preferably constantly, a number of filter chambers remaining in the gas circuit exceeds the
  • the differential pressure applied to a filter element arranged in it is determined and cleaning is carried out on this filter element if the determined differential pressure exceeds a predetermined maximum value.
  • the differential pressure determined by pressure sensors upstream and downstream of filter chambers provides information about the occupancy status between the Pressure sensors arranged filter elements. If exactly one filter chamber is arranged between two pressure sensors on which the differential pressure determination is based, then the occupancy status can be determined in great detail. If a plurality of filter chambers are arranged between two pressure sensors on which the differential pressure determination is based, then if the predetermined maximum value is exceeded in all of these filter chambers, the filter elements can be cleaned or replaced, taking into account the number of filter chambers remaining in the gas circuit according to the invention.
  • the process gas is moved in the closed gas circuit with a volume flow that exceeds a value of 50 m 3 /h, preferably 100 m 3 /h, more preferably 200 m 3 /h and/or a value of 2000 m 3 / h, preferably 500 m 3 /h, more preferably 400 m 3 /h.
  • the target value for the volume flow density will therefore be set depending on the parameters selected when irradiating the building material and depending on the building material used.
  • the procedure according to the invention ensures that percentage fluctuations in the volume flow are kept within limits.
  • the value of a volume flow of the process gas in the closed gas circuit downstream of the filter system is determined and a filter element is cleaned when the determined value of the volume flow falls below a predetermined minimum value.
  • an occupancy state of the filter elements in filter chambers can be determined independently of a detection of the pressure difference at the filter chambers.
  • the filter system is connected to at least two process chambers of a number of additive manufacturing devices, with each process chamber particularly preferably being assigned at least one centrifugal separator, with a manufacturing process of a three-dimensional object being carried out in each of the at least two process chambers in a temporally overlapping manner.
  • the construction materials used in the process chambers can all be identical or different from one another.
  • the filter system is fluidly connected to at least two process chambers.
  • the term “fluidically connected” is intended to express that the connection is such that process gas can flow from the filter system to the additive manufacturing devices and vice versa.
  • the gas circuit can be designed such that the flow of filtered process gas coming from the filter system branches in order to flow through the plurality of process chambers in parallel.
  • the partial streams from the individual process chambers can then be brought together again in order to be fed together to the filter system.
  • Such a procedure requires that the same process gas atmosphere is used in all process chambers. This is not a problem if the construction materials are the same in the process chambers, but even if different construction materials are used in the process chambers, it is still possible to use the same process gas, e.g. a protective gas such as argon.
  • a cyclone separator or centrifugal separator near the process gas outlet of a process chamber or upstream of the process gas inlet of a filter system has the advantage that coarse impurities in the process gas stream can be separated out before they contaminate and, in the worst case, clog a pipeline system used for gas transport or the filter system.
  • the process chambers can in particular belong to different additive manufacturing devices, for which a common (central) filter system is provided.
  • the provision of a common filter system reduces costs because not every additive manufacturing device has to be equipped separately with a complex filter system.
  • the impurities removed from the filters, as well as the replaced filters containing impurities are material that is difficult to handle.
  • At least three process chambers are connected to the filter system and it is ensured, in particular as long as a manufacturing process is running in one of the process chambers, that a number of the process chambers through which the process gas flows exceeds a number of the process chambers through which the process gas does not flow.
  • a further method according to the invention serves to provide a process gas atmosphere during a manufacturing process of a three-dimensional object in a plurality of process chambers of a number of additive manufacturing devices, in each of which at least one object is produced by applying a building material layer by layer and the building material by supplying radiation energy is solidified to solidification points in each layer, which are assigned to the cross section of the object in this layer, with a gas circulation system with a gas circuit that is closed during operation for a process gas passed through the process chambers, with a filter system in the closed gas circuit with a number, is preferably arranged with a plurality of filter chambers, wherein the filter system is connected to at least two process chambers, with each process chamber particularly preferably being assigned at least one centrifugal separator, with a manufacturing process of a three-dimensional object being carried out in each of the at least two process chambers in a temporally overlapping manner, wherein at least three process chambers are connected to the filter system and, in particular as long as a manufacturing process is running in one
  • an additive manufacturing method for producing a three-dimensional object in a process chamber of an additive manufacturing device, the object being manufactured by means of the additive manufacturing device by applying a building material layer by layer in the process chamber and the building material by supplying radiation energy to solidification points in each layer , which are assigned to the cross section of the object in this layer, is solidified
  • a method according to the invention is used during the manufacturing process to provide a process gas atmosphere.
  • FIG. 1 shows a schematic, partially sectioned view of an exemplary additive manufacturing device according to the invention with an exemplary device according to the invention for providing a process gas atmosphere.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a device for providing a process gas atmosphere.
  • Fig. 3 shows the representation of Fig. 2, whereby an exemplary arrangement of sensors in the gas circuit is also shown.
  • Fig. 4 illustrates an exemplary procedure for cleaning a filter element.
  • Fig. 5 illustrates an exemplary process sequence for replacing or cleaning a number of filter elements.
  • the laser melting device 1 shown in Fig. 1 contains a process chamber 3 with a chamber wall 4 for building an object 2.
  • An upwardly open container 5 with a container wall 6 is arranged in the process chamber 3.
  • a working plane 10 is defined through the upper opening of the container 5, the area of the working plane 10 lying within the opening, which can be used to build the object 2, being referred to as the construction area.
  • a carrier 7 that can be moved in a vertical direction V and to which a base plate 8 is attached, which closes off the container 5 at the bottom and thus forms its bottom.
  • the base plate 8 may be a plate formed separately from the carrier 7 and fixed to the carrier 7, or it may be formed integrally with the carrier 7.
  • a construction platform 9 can also be attached to the base plate 8 as a construction base on which the object 2 is built.
  • the object 2 can also be built directly on the base plate 8, which then serves as a construction base.
  • the object 2 to be formed in the container 5 on the construction platform 9 is shown below the working plane 10 in an intermediate state with several solidified layers, surrounded by building material 11 that remains unsolidified.
  • the laser melting device 1 further contains a storage container 12 for a powdery or pasty building material 13 that can be solidified by electromagnetic radiation and a coater 14 that can be moved in a horizontal direction H for applying the building material 13 within the construction area.
  • the coater 14 preferably extends transversely to its direction of movement over the entire area to be coated.
  • the wall 4 of the process chamber 3 contains a coupling window 15 for the laser beam 22 used to solidify the powder 13.
  • the laser melting device 1 further contains an exposure device 20 with a laser 21, which generates a laser beam 22, which is deflected via a deflection device 23 and focused on the working plane 10 by a focusing device 24 via the coupling window 15.
  • the laser melting device 1 has a control unit 29, via which the individual components of the laser melting device 1 are controlled in a coordinated manner to carry out the construction process.
  • the control unit may contain a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the computer program can be stored on a storage medium from which it can be loaded into the device, in particular into the control unit.
  • the term "control unit” includes any computer-based control unit capable of controlling or regulating the operation of an additive manufacturing device, in particular components thereof.
  • the connection between the control unit and the controlled components does not necessarily have to be cable-based, but can also be implemented using radio, WLAN, NFC, Bluetooth or the like, in that the control unit has corresponding receivers and transmitters.
  • the carrier 7 is first lowered by a height that corresponds to the desired layer thickness.
  • the coater 14 then moves over the construction field and applies a layer of building material 13 to the building base or an existing layer of already selectively solidified building material.
  • the application takes place at least over the entire cross section of the object 2 to be produced, preferably over the entire construction area, i.e. the area delimited by the container wall 6.
  • the cross section of the object 2 to be produced is then scanned by the laser beam 22, so that the powdery building material 13 is solidified at the points that correspond to the cross section of the object 2 to be produced.
  • the powder grains are partially or completely melted at these points by means of the energy introduced by the radiation, so that after cooling they are connected to one another as solid bodies. These steps are repeated until the object 2 is completed and can be removed from the process chamber 3.
  • the laser melting device 1 when irradiating with the laser beam, depending on the type of construction material used, especially when sintering or melting metal powder, spatters, smoke, vapors and/or gases are created, which spread into the process chamber and impair the manufacturing process referred to as welding fumes.
  • a process gas stream is passed over the working level 10.
  • the laser melting device 1 therefore contains a gas supply channel 31, a gas inlet nozzle 32, a gas outlet nozzle 34 and a gas discharge channel 35.
  • the gas supply and removal can be controlled by a separate gas control device 80, which is shown separately from the control unit in FIG. However, control by the control unit 29 is also possible.
  • the gas emerging from the process chamber 3 is fed to a filter system 40, which filters out (in particular metallic) impurities from the process gas, and then fed back to the process chamber 3 via the gas supply channel 31.
  • a gas circulation system is formed by the gas supply channel 31, the gas inlet nozzle 32, the gas outlet nozzle 34, the gas discharge channel 35 and a gas delivery device 50, for example a circulation fan, in particular a high-pressure fan, which during operation enables a closed gas circuit for a process gas passed through the process chamber.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an example of a device for providing a process gas atmosphere in the process chamber.
  • this device also has the filter system 40 and the gas control device 80, which were already shown in FIG. 1 and are shown in more detail in FIG. 2.
  • the filter system 40 contains three filter chambers 41a, 41b and 41c, which are shown in the figure as partial spaces of a main chamber that are gas-tightly separated from one another, but can also be spatially separate chambers from one another.
  • At least three filter chambers are present.
  • Each filter chamber 41a, 41b, 41c contains a filter element 43a, 43b and 43c, respectively.
  • fabric filters with 20pm polyester fibers or PE sinter filters can be used as filter elements.
  • each filter chamber there are on both sides of the Filter element 43a, 43b, 43c has a raw gas space 44a, 44b or 44c and a clean gas space 45a, 45b or 45c.
  • the gas containing the impurities can be supplied to each of the raw gas spaces 44a, 44b and 44c via the gas discharge channel 35.
  • the filtered gas (often referred to as clean gas) is fed from each of the clean gas spaces 45a, 45b, 45c via the gas supply channel 31 back to the process chamber 3, where it enters the gas inlet 32 arranged in the chamber wall 4.
  • the gas inlets of the filter chambers are preferably designed so that the gas stream supplied is not directed directly onto a filter element.
  • the gas can be guided laterally into the filter chamber in a circular path. This uses a cyclone effect and larger particles, e.g. transported components of the construction material (e.g. metal powder), do not even reach the filter element.
  • Fig. 2 shows the gas conveying device 50 arranged in the gas circuit, for example a high-pressure fan, the direction of flow in the gas circuit being indicated by arrows.
  • a preferably present fine filter which is arranged upstream of the gas conveying device 50, and an optional particle separator, for example a centrifugal separator or cyclone separator, in the gas discharge channel 35.
  • the filtered out particles accumulate on the fabric of a filter element 43a, 43b or 43c. They are compressed by the pressure exerted by the process gas stream and can agglomerate depending on the material and temperature.
  • a filter coating is formed from a layer of compacted and/or adhering particles, which is generally referred to as a “filter cake”.
  • the filter cake hinders the gas flow and leads to an ever-increasing pressure drop across the filter, i.e. to an increase in the pressure difference between the raw gas and clean gas sides of the filter element, i.e. between the raw gas space 44a, 44b or 44c and the clean gas space 45a, 45b or 45c.
  • FIG. 4 shows schematically a cleaning device 70, which was brought into connection with the clean gas space 45a, 45b or 45c of a filter element 43a, 43b or 43c (in the figure, for example, the clean gas space 45a and the filter element 43a).
  • the cleaning device 70 To clean the filter element 43a, the cleaning device 70 generates a gas pressure surge which is introduced into the clean gas space 45a via the cleaning nozzle 71.
  • the cleaning device 70 can contain a pressure container with pressurized protective gas, from which individual gas pressure surges can be taken if necessary.
  • a gas pressure surge for example, has a peak pressure of 5 or 10 bar and penetrates the filter element 43a to be cleaned in the opposite direction to the normal filter direction in which the process gas to be filtered flows through the filter element 43a.
  • the gas pressure surge acts on the filter cake from the outlet side of the filter element 43a. This is thereby detached from the filter element 43a over the surface, breaks into clods and is pushed away from the filter element 43a by the gas pressure surge.
  • a collecting funnel 72 in the lower section of which there is a closure 73, e.g. an iris diaphragm or a pneumatically/electrically controlled disc flap, with which the collecting funnel 72 is sealed at the bottom in a gas-tight manner can be.
  • a collection container 74 sometimes referred to as a waste container.
  • a passivation connection 75 is provided, which can be used to fill passivation material into the collecting container 74. However, the introduction of passivation material can also be dispensed with.
  • a protective gas connection (not shown in the figure) can optionally be provided for introducing a protective gas, which can be identical to a protective gas used in the process chamber, into the collecting container 74.
  • a protective gas which can be identical to a protective gas used in the process chamber, into the collecting container 74.
  • Further details of the apparatus known to those skilled in the art are not shown in the schematic Fig. 4 for reasons of clarity, for example a vent used to inert the filter chamber or a fill level sensor or a pressure sensor in the collecting container 74.
  • the gas discharge channel 35 is split into three sub-channels (without reference numbers), via which the gas to be filtered is fed to the raw gas spaces 44a, 44b, 44c of the filter chambers 41a, 41b, 41c.
  • the outlets of the clean gas rooms 45a, 45b, 45c are brought together in order to supply the filtered gas to the process chamber 3 via the gas supply channel 31.
  • the gas supply to the raw gas spaces 44a, 44b, 44c can be individually interrupted via switching units 36a, 36b, 36c (eg valves that can be actuated by an electric motor or electromagnetically).
  • the gas removal from the clean gas rooms 45a, 45b, 45c can be individually interrupted via switching units 37a, 37b, 37c (eg valves that can be actuated by an electric motor or electromagnetically). This can ensure that when a filter element is replaced, no ambient atmosphere gets into the process gas atmosphere or that there are no negative effects on the pressure in the process chamber when filter elements are cleaned using a gas pressure surge.
  • FIG. 2 shows a gas control device 80, which is connected to the switching units 36a, 36b, 36c and the switching units 37a, 37b, 37c by means of control lines shown in dashed lines (without reference numbers) in order to be able to operate them. Even if control lines are explicitly shown in the figure, it is understood that the communication between the gas control device 80 and switching units can also take place wirelessly, for example by means of radio, WLAN, NFC, Bluetooth or the like, in that the control unit and the switching units have corresponding receivers and transmitter. The same applies to the optional control signal connection between the gas control device 80 and the gas delivery device 50.
  • the gas control device 80 controls the corresponding switching units, in the example 36a and 37a, in order to move the associated filter chamber 41a from the gas circuit through the process chamber 3 to disconnect.
  • the gas control device 80 ensures that the number of filter chambers arranged in the gas circuit exceeds the number of filter chambers not arranged in the gas circuit.
  • the (e.g. using software implemented) control in the gas control device is designed accordingly.
  • it can check whether the number of filter chambers to be disconnected from the gas circuit through the process chamber 3 is greater than or equal to the number of filter chambers remaining in the gas circuit through the process chamber 3 and, if this is the case, automatically disconnect a smaller number of filter chambers from the gas circuit.
  • this can also be done step by step. This means that it is first checked whether a number of filter chambers to be disconnected reduced by 1 is still greater than or equal to the number of filter chambers then remaining in the gas circuit through the process chamber 3 and, if so, the number of filter chambers to be disconnected is reduced again by 1 in order to to carry out another check. Only when the check shows that the number of filter chambers to be disconnected is smaller than the number of filter chambers remaining in the gas circuit is the current number of filter chambers to be disconnected actually disconnected from the gas circuit.
  • the gas control device can check the switching state of the switching units 36a, 36b, 36c, 37a, 37b and 37c. Regardless of this, a value Nmax of the maximum permissible number of filter chambers that may be disconnected from the gas circuit at the same time can be stored in a memory, e.g. B. stored in the gas control device. The gas control device then compares z. B. the number of filter chambers currently disconnected from the gas circuit with the value Nmax and sets z. B. a blocking flag if the value Nmax would be exceeded by disconnecting another filter chamber.
  • the value Nmax of the maximum permissible number of filter chambers that may be disconnected from the gas circuit at the same time can be predetermined depending on the total number of filter chambers that can be connected to the process chamber.
  • this value can be entered by a user of the additive manufacturing device before the start of a manufacturing process, in particular after a change in the number of filter chambers available for filtering the process gas stream.
  • the maximum permissible number of filter chambers Nmax is always separated from the gas circuit. This also ensures that the number of filter chambers arranged in the gas circuit always exceeds the number of filter chambers not arranged in the gas circuit.
  • the gas control device 80 can output a warning signal each time when the number of filter chambers to be disconnected from the gas circuit through the process chamber 3 is greater than or equal to the number of filter chambers remaining in the gas circuit through the process chamber 3 or a numerical ratio of filter chambers not separated from the process gas circuit to filter chambers separated from the process gas circuit.
  • the warning signal can be an acoustic and/or a visual signal.
  • the presence of three filter chambers means that it is ensured that at least two filter chambers are always arranged in the process gas circuit during the manufacturing process. If four or five filter chambers are present, this means that it is ensured that at least three filter chambers are always arranged in the process gas circuit during the manufacturing process. If there are six or seven filter chambers, this means that at least four filter chambers are always arranged in the process gas circuit during the manufacturing process.
  • Fig. 3 is very similar to Fig. 2. The difference from Fig. 2 is that additional sensors 38a, 38b, 38c, 38g, 39a, 39b, 39c and 39g are shown in Fig. 3, which are shown in Fig have been omitted for reasons of clarity.
  • the sensors 38a, 38b, 38c, 38g, 39a, 39b, 39c and 39g are pressure sensors. By comparing the values determined by the sensors 38a and 39a, 38b and 39b or 38c and 39c, the pressure difference present in the associated filter chamber 41a, 41b or 41c can be determined. If the pressure difference applied to a filter chamber exceeds a predetermined maximum value, this can be used as an indicator that the filter element in the corresponding filter chamber should be replaced or cleaned.
  • the two sensors 38g and 39g are shown in addition to the sensors 38a, 38b, 38c, 39a, 39b and 39c, they can also be arranged in the gas circuit instead of the sensors 38a, 38b, 38c, 39a, 39b and 39c.
  • the pressure difference across all of the filter chambers arranged parallel to one another in the gas circuit can be determined and, based on this pressure difference, a decision can be made as to whether any of the filter elements need to be replaced or cleaned or not.
  • the pressure difference for only a subset of the entirety of the filter chambers arranged parallel to one another in the gas circuit can be determined by means of two sensors upstream and downstream of this subset in the gas circuit.
  • reference number 90 denotes signal lines (dashed lines) between the sensors and the gas control device 80, via which pressure values determined by the respective sensors can be transmitted to the gas control device 80, and signal lines between the gas control device 80.
  • the gas control device 80 can use the pressure values transmitted by the sensors to determine pressure differences in the filter chambers and automatically decide when replacement or cleaning of filter elements is necessary.
  • signal lines are explicitly shown in the figure, it is understood that communication can also take place wirelessly, for example by means of Radio, WLAN, NFC, Bluetooth or the like, in that the gas control device and the switching units have corresponding receivers and transmitters.
  • FIG. 3 shows a sensor 51 for determining the volume flow in the gas circuit, which is also connected to the gas control device 80 via a signal connection.
  • the sensor 51 is shown upstream of the gas conveying device 50, but it can alternatively also be arranged downstream. If the sensor 51 indicates a drop in the volume flow below a predetermined minimum value, it can be decided, regardless of the differential pressure values determined by the pressure sensors, that cleaning or replacement of filter elements should take place. However, if the differential pressure values present in the individual filter chambers are also taken into account for the decision, then the interaction of the information from the pressure sensors and the sensor for the volume flow allows a fairly differentiated decision to be made as to which filter elements need to be cleaned or replaced and when.
  • step SO A possible process sequence for replacing or cleaning a number of filter elements by means of a correspondingly adapted gas control device 80 is described below with reference to FIG.
  • the starting point of the process sequence is a point in time at which it was decided that a filter element in a plurality i of filter chambers must be replaced or cleaned. This decision may, for example, have been made automatically by the gas control device 80 based on the pressure differences present in the individual filter chambers.
  • step S1 following the decision, it is determined whether the number Ni of filter chambers in which a filter element must be replaced or cleaned is greater than or equal to half of the total number Ntotai of filter chambers that can be connected to the additive manufacturing device during a manufacturing process. If so, a step S1 'is carried out in which it is checked whether a number NM of filter chambers would be greater than or equal to half of the total number of filter chambers. If this is not the case, the next one will be Process step S2 is carried out. Should a number NM of filter chambers be greater than or equal to half of the total number of filter chambers, it is successively checked whether a number of NI-2, NI-3, etc. of filter chambers is greater than or equal to half of the total number of filter chambers, until this is no longer the case for a number NH (j>1) and the method can then proceed to step S2.
  • step S2 the gas control device 80 controls the switching units downstream and upstream of those i filter chambers in which the filter element is to be cleaned or replaced in order to separate these filter chambers from the gas flow. If process step ST has been carried out, not Ni, but NM or NH filter chambers are separated.
  • step S3 a cleaning process of the filter elements in the separated filter chambers then takes place in a known manner or an exchange of the filter elements in these filter chambers takes place.
  • a final signal is then transmitted to the gas control device 80. This happens automatically during a cleaning process; this can also be the case during a replacement process, but it can also be done manually.
  • the gas control device 80 After receiving the final signal, which indicates that a filter chamber is ready for operation again, the gas control device 80 then opens the switching units downstream and upstream of this filter chamber again in step S4, so that the process gas flows through the filter chamber again.
  • the filter chambers to be separated from the gas circuit cannot necessarily be separated from the gas circuit simultaneously, but also successively. This applies in particular in a case in which the pressure differences of the individual filter chambers are not determined separately by means of sensors upstream and downstream of each filter chamber, but rather the resulting pressure difference of several filter chambers arranged parallel to one another in the gas flow is determined, for example by means of the sensors 38g and 39g in FIG. 3. Furthermore, the process sequence described with reference to FIG.

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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, 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.

Description

Filtersystem mit individuell abtrennbaren Filterkammern
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 pm. 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 102014 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 Gasoder 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 Ntotai 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 20pm Polyesterfasern oder PE-S interfilter) 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 einer speziellen Ausgestaltung ist das Filtersystem mit mindestens zwei Prozesskammern einer Anzahl von additiven Herstellvorrichtungen verbunden, wobei besonders bevorzugt jeder Prozesskammer mindestens ein Fliehkraftabscheider zugeordnet ist, wobei zeitlich überlappend in jeder der mindestens zwei Prozesskammern ein Herstellverfahren eines dreidimensionalen Objekts durchgeführt wird. Die in den Prozesskammern verwendeten Aufbaumaterialien können dabei alle identisch sein oder aber auch unterschiedlich zueinander sein. Insbesondere ist das Filtersystem mit mindestens zwei Prozesskammern fluidisch verbunden. Der Begriff "fluidisch verbunden" soll dabei zum Ausdruck bringen, dass die Verbindung so beschaffen ist, dass Prozessgas vom Filtersystem zu den additiven Herstellvorrichtungen strömen kann und umgekehrt.
Insbesondere kann der Gaskreislauf so beschaffen sein, dass der Strom des gefilterten Prozessgases von dem Filtersystem kommend sich verzweigt, um parallel die Mehrzahl von Prozesskammern zu durchströmen. Vor Eintritt des zu filternden Prozessgases in das Filtersystem können dann die Teilströme von den einzelnen Prozesskammern wieder zusammengeführt werden, um gemeinsam dem Filtersystem zugeführt zu werden. Solch ein Vorgehen setzt voraus, dass in allen Prozesskammern die gleiche Prozessgasatmosphäre verwendet wird. Dies ist bei gleichen Aufbaumaterialien in den Prozesskammern kein Problem, aber auch bei Verwendung unterschiedlicher Aufbaumaterialien in den Prozesskammern ist es dennoch möglich, das gleiche Prozessgas, z.B. ein Schutzgas wie Argon, zu verwenden.
Ein Zyklonabscheider bzw. Fliehkraftabscheider nahe des Prozessgasauslasses einer Prozesskammer bzw. stromaufwärts des Prozessgaseinlasses eines Filtersystems hat den Vorteil, dass damit grobe Verunreinigungen im Prozessgasstrom ausgesondert werden können, bevor sie ein für den Gastransport verwendetes Rohrleitungssystem oder das Filtersystem verschmutzen und im schlimmsten Fall verstopfen. Die Prozesskammern können insbesondere unterschiedlichen additiven Herstellvorrichtungen angehören, für die ein gemeinsames (zentrales) Filtersystem vorgesehen wird. Das Vorsehen eines gemeinsamen Filtersystems senkt zum einen die Kosten, da nicht jede additive Herstellvorrichtung separat mit einem aufwändigen Filtersystem ausgerüstet werden muss. Hinzu kommt, dass es sich bei den von den Filtern abgereinigten Verunreinigungen, aber auch bei den mit Verunreinigungen belegten ausgetauschten Filtern, um problematisch zu handhabendes Material handelt. Zum Einen kann es, abhängig vom verwendeten Aufbaumaterial, bei Kontakt mit der Luft zu Selbstentzündungen oder gar Explosionen kommen. Zum anderen kann von den Verunreinigungsrückständen auf den Filtern auch eine Gesundheitsgefahr für das mit einer Entsorgung derselben befasste Personal ausgehen. In jedem Fall macht es eine zentrale Handhabung dieser Gefahrstoffe einfacher, diese sicher und mit überschaubaren Risiken zu entsorgen, da eine aufwändige Ausrüstung zur Handhabung der Stoffe, z.B. eine geeignete Schutzgasatmosphäre, nur an einer Stelle vorgehalten werden müssen.
Bevorzugt sind mindestens drei Prozesskammern mit dem Filtersystem verbunden und es wird, insbesondere solange ein Herstellverfahren in einer der Prozesskammern abläuft, sichergestellt, dass eine Anzahl der von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern eine Anzahl der nicht von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern übersteigt.
In einem Fall, in dem die additiven Herstellvorgänge in den unterschiedlichen Prozesskammern nicht exakt zeitlich überlappen, insbesondere von unterschiedlicher Zeitdauer sind, besteht in der Regel der Wunsch, eine Prozesskammer, in der z.B. das Herstellverfahren bereits abgeschlossen ist, aus dem Prozessgaskreislauf abzutrennen, um die hergestellten Objekte entnehmen zu können. Auch dies kann zu abrupten Änderungen des Strömungswiderstands führen, denen mit der beschriebenen Vorgehensweise begegnet werden kann, um den Herstellvorgang in den noch von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern nicht zu beeinträchtigen. Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren dient der Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre während eines Herstellverfahrens eines dreidimensionalen Objekts in einer Mehrzahl von Prozesskammern einer Anzahl von additiven Herstellvorrichtungen, in denen jeweils mindestens ein 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 ein Gasumwälzsystem mit einem im Betrieb geschlossenen Gaskreislauf für ein durch die Prozesskammern geleitetes Prozessgas vorhanden ist, wobei in dem geschlossenen Gaskreislauf ein Filtersystem mit einer Anzahl, bevorzugt mit einer Mehrzahl, von Filterkammern angeordnet ist, wobei das Filtersystem mit mindestens zwei Prozesskammern verbunden ist, wobei besonders bevorzugt jeder Prozesskammer mindestens ein Fliehkraftabscheider zugeordnet ist, wobei zeitlich überlappend in jeder der mindestens zwei Prozesskammern ein Herstellverfahren eines dreidimensionalen Objekts durchgeführt wird, wobei mindestens drei Prozesskammern mit dem Filtersystem verbunden sind und, insbesondere solange ein Herstellverfahren in einer der Prozesskammern abläuft, sichergestellt wird, dass eine Anzahl der von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern eine Anzahl der nicht von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern übersteigt.
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.
Fig. 1 zeigt eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer beispielhaften erfindungsgemäßen additiven Herstellvorrichtung mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bereitstellung einer Prozessgasatmosphäre.
Fig. 3 zeigt die Darstellung von Fig. 2, wobei zusätzlich eine beispielhafte Anordnung von Sensoren im Gaskreislauf gezeigt ist.
Fig. 4 veranschaulicht ein beispielhaftes Vorgehen bei der Abreinigung eines Filterelements.
Fig. 5 veranschaulicht einen beispielhaften Verfahrensablauf bei einem Austausch oder einer Abreinigung einer Anzahl von Filterelementen.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig. 1 zunächst ein grundlegender Aufbau einer additiven Herstellvorrichtung, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, am Beispiel einer Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung beschrieben. Die in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 1 gezeigt waren und in Fig. 2 detaillierter gezeigt sind. Das Filtersystem 40 enthält im Beispiel der Figur 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 Fig. 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 41 a, 41 b, 41 c enthält ein Filterelement 43a, 43b bzw. 43c. Als Filterelemente können z.B. Gewebefilter mit 20pm 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 41 a, 41 b, 41 c 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 Fig. 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 41 a 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 Nmax 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 Nmax und setzt z. B. ein Sperr-Flag, wenn durch das Abklemmen einer weiteren Filterkammer der Wert Nmax überschritten würde. Der Wert Nmax der maximal zulässigen Anzahl von Filterkammern, die gleichzeitig von dem Gaskreislauf abgeklemmt sein dürfen, kann in Abhängigkeit der Gesamtzahl Ntotai 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 Nmax 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 Nmax 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 Fig. 3 erläutert wird. Fig. 3 ist sehr ähnlich zu Fig. 2. Der Unterschied zu Fig. 2 besteht darin, dass in Fig. 3 zusätzlich Sensoren 38a, 38b, 38c, 38g, 39a, 39b, 39c und 39g gezeigt sind, die in Fig. 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 41 a, 41 b 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 SO) 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 Ntotai 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 NM 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 NM von Filterkammern größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl an Filterkammern sein, so wird solange sukzessiv abgeprüft, ob eine Anzahl NI-2, NI-3, etc. von Filterkammern größer oder gleich der Hälfte der Gesamtzahl an Filterkammern ist, bis dies für eine Anzahl NH (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 ST ausgeführt wurde, werden entsprechend nicht Ni, sondern NM bzw. NH 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 Fig. 3. Weiterhin kann der mit Bezug auf Fig. 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 Ntotai an Filterkammern ist, abgeprüft wird, ob das Zahlenverhältnis der Differenz zwischen der Gesamtzahl Ntotai an Filterkammern und der Anzahl Ni zur Anzahl Ni , mit anderen Worten (Ntotai-Ni)/Ni, 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.

Claims

Patentansprüche
1 . 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 (41 a, 41 b, 41 c) 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 (41 a, 41 b, 41 c) 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.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei jede der Filterkammern (41 a, 41 b, 41 c) 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.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl von Filterkammern (41 a, 41 b, 41 c) 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, 41 b, 41c) jeweils verbundene Zuleitungen und Ableitungen eine im Wesentlichen gleiche Öffnungsquerschnittsfläche aufweisen.
4. 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.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der stets alle im Gaskreislauf angeordneten Filterkammern (41a, 41 b, 41c) in Parallelschaltung zueinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der es sich bei den mindestens drei Filterkammern (41a, 41 b, 41c) um gasdicht voneinander abgegrenzte Teilräume einer oder mehrerer Hauptkammern des Filtersystems (40) handelt.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der für jede der mindestens drei Filterkammern (41a, 41 b, 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.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der für jede der mindestens drei Filterkammern (41a, 41 b, 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, 41 b, 41c) ermittelt werden kann.
9. 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.
10. 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.
11 . 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.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Gasumwälzsystem einen Ventilator (50) aufweist.
13. 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.
14. 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, 41 b, 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.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem bei einer im Gaskreislauf angeordneten Filterkammer (41 a, 41 b, 41 c) 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.
16. 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.
17. 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.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filtersystem (40) mit mindestens zwei Prozesskammern (3a, 3b) einer Anzahl von additiven Herstellvorrichtungen verbunden ist, wobei besonders bevorzugt jeder Prozesskammer (3a, 3b) mindestens ein Fliehkraftabscheider zugeordnet ist, wobei zeitlich überlappend in jeder der mindestens zwei Prozesskammern (3a, 3b) ein Herstellverfahren eines dreidimensionalen Objekts durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem mindestens drei Prozesskammern mit dem Filtersystem (40) verbunden sind und, insbesondere solange ein Herstellverfahren in einer der Prozesskammern abläuft, sichergestellt wird, dass eine Anzahl der von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern eine Anzahl der nicht von dem Prozessgas durchströmten Prozesskammern übersteigt.
20. 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 19 angewandt wird.
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