EP4633854A1 - Ansaugeinheit für eine absaugvorrichtung sowie additive fertigungsvorrichtung mit einer absaugvorrichtung - Google Patents

Ansaugeinheit für eine absaugvorrichtung sowie additive fertigungsvorrichtung mit einer absaugvorrichtung

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Publication number
EP4633854A1
EP4633854A1 EP23812886.2A EP23812886A EP4633854A1 EP 4633854 A1 EP4633854 A1 EP 4633854A1 EP 23812886 A EP23812886 A EP 23812886A EP 4633854 A1 EP4633854 A1 EP 4633854A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
suction
channel
funnel
unit
channel segment
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
EP23812886.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian SCHAEDE
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.)
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik 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 Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4633854A1 publication Critical patent/EP4633854A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B5/00—Cleaning by methods involving the use of air flow or gas flow
    • B08B5/04—Cleaning by suction, with or without auxiliary action
    • 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
    • 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
    • B22F12/60—Planarisation devices; Compression devices
    • B22F12/67—Blades
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a suction unit for a suction device.
  • the invention also relates to an additive manufacturing device with a suction device having a suction unit.
  • additive manufacturing processes such as powder bed-based laser beam melting (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) are manufactured in a protective gas atmosphere to ensure high manufacturing accuracy.
  • powder bed-based laser beam melting Laser Powder Bed Fusion, LPBF
  • a process chamber of the additive manufacturing device is typically supplied with a process gas or protective gas, which is fed into the interior of the process chamber via a process gas supply unit.
  • the process gas is mixed or contaminated with suspended particles, such as whirled-up process powder, and/or smoke produced during production, which reduces the quality of the additive manufacturing process.
  • the state of the art usually provides for the contaminated process gas to be extracted from the process chamber via an extraction device.
  • This places high demands on the extraction device.
  • the extraction device must ensure as uniform and create a turbulence-free process chamber flow to enable effective extraction of the contaminated process gas and to prevent further process powder from being stirred up and smoke and other process emissions from being diverted towards the powder bed.
  • extraction devices that have a suction unit that can move within the process chamber.
  • Such extraction devices are used, for example, in additive manufacturing devices that provide for parallel coating with process powder and solidification of process powder in a working cylinder.
  • the suction unit is moved in the vicinity of the working cylinder to be coated in order to extract any whirled up process powder as quickly as possible.
  • a suction unit is provided.
  • the suction unit is suitable or designed for arrangement on a suction device.
  • a suction device can be equipped with the suction unit.
  • the suction unit can have a pipe connection for this purpose. This enables existing suction devices to be easily retrofitted or converted.
  • the suction unit is further suitable or designed for extracting a process gas from a process chamber of an additive manufacturing device.
  • the suction unit can be designed to suck in various types of gaseous media.
  • the suction unit is designed to suck in suspended particles contained in the gaseous medium, e.g. process powder.
  • the suction unit has a first suction funnel and a second suction funnel.
  • the suction unit has at least two suction funnels.
  • the suction funnels are designed to suck in the process gas within the process chamber.
  • Each of the intake funnels typically has an inflow surface through which the sucked-in process gas flows into the respective intake funnel.
  • Each of the intake funnels can also have an outflow surface through which the sucked-in process gas can be discharged from the respective intake funnel.
  • the intake funnels usually each have a flow cross-section that tapers from the inflow surface to the outflow surface.
  • the suction unit also has a suction channel.
  • the suction channel is designed to discharge the process gases sucked in through the suction funnels.
  • the suction channel is designed to be arranged or attached to the outflow surfaces of the suction funnels.
  • the suction channel is designed to be arranged on a suction device, in particular in a gas-tight manner.
  • the first suction funnel is arranged or attached to the suction channel in a suction direction in front of the second suction funnel.
  • the first suction funnel is further away from the pipe connection than the second suction funnel.
  • the process gas sucked in through the first suction funnel travels a longer flow path within the suction channel than the process gas sucked in through the second suction funnel.
  • the suction channel has a first channel segment with a first opening cross-section and a second channel segment with a second opening cross-section.
  • the first intake funnel opens into the first channel segment.
  • the first channel segment with the first opening cross-section can be arranged on the outflow surface of the first intake funnel.
  • the first channel segment and the second intake funnel open into the second channel segment.
  • the first mouth cross-section of the first channel segment has a flow cross-sectional area that is larger than a flow cross-sectional area of the second mouth cross-section of the second channel segment.
  • a suction unit is specified that proposes the suction of process gas with at least two suction funnels.
  • the funnel-shaped design promotes the suction of process gas in a wide area around the suction funnel. It is also proposed to compensate for a flow-path-related pressure loss within the suction channel by adjusting the mouth cross-section to the respective channel segment, whereby a uniform process volume flow can be achieved for each suction funnel.
  • the suction unit according to the invention can thus ensure uniform suction of process gas from the process chamber at relatively low flow speeds. Suction-related swirling of the process powder and the diversion of smoke and process emissions in the direction of the powder bed due to turbulence in the process chamber flow can be effectively avoided.
  • the suction unit has at least one further channel segment and at least one further suction funnel.
  • the suction unit preferably has several, in particular three, further channel segments and a corresponding number of suction funnels. A larger number of channel segments and suction funnels promotes an even more uniform suction of process gas.
  • the further channel segment is preferably arranged or formed on the suction channel behind the first channel segment and the second channel segment in the suction direction. Further preferably, the channel segment located in front of the further channel segment in the suction direction and the further suction funnel open into the further channel segment.
  • the second channel segment and a third suction funnel can open into a third channel segment. Further, for example, a fourth channel segment and a fifth suction funnel can open into a fifth channel segment.
  • the suction unit is one in which the first channel segment extends into the second channel segment.
  • the first channel segment overlaps the second channel segment along a longitudinal axis of the suction channel.
  • the first channel segment can be used to guide the process gas flow through the second suction funnel. This promotes a low-turbulence merging of the individual process gas flows through the suction funnels within the suction channel.
  • a preferred development of the embodiment provides that several, in particular all, channel segments extend into the channel segment following the respective channel segment in the suction direction. In other words, adjacent channel segments extend into one another in the suction direction. This can further promote the low-turbulence flow merging.
  • the mouth cross sections in the suction direction of the suction channel have a decreasing flow cross-sectional area.
  • a flow cross-sectional area of a mouth cross section is increasingly larger with increasing flow path within the suction channel. This allows the pressure loss at the suction funnels arranged downstream in the suction direction to be increased in order to ensure the greatest possible equal volume flow distribution across all suction funnels.
  • the suction channel is designed in such a way that a channel cross-sectional area of the suction channel increases in a suction direction of the suction channel. In other words, the flow cross-section of the suction channel increases in the suction direction. This can prevent pressure losses due to the flow merging of the process gas volume flows sucked in through the suction funnels, which further promotes uniform suction.
  • An embodiment of the intake unit is preferred in which at least one opening cross-section is designed in the form of a circular sector or an annular sector. This allows geometrically caused pressure losses to be kept to a minimum.
  • a further preferred embodiment of the intake unit is one in which the first channel segment delimits the second intake funnel.
  • the first channel segment forms a wall of the second intake funnel. This allows the intake unit to be manufactured in a way that further conserves resources.
  • the intake funnels are each delimited along a channel longitudinal axis by two segment walls, wherein the segment walls are formed, in particular orthogonally, to the channel longitudinal axis.
  • an intake area of the respective intake funnel can be effectively delimited from the at least one further intake funnel.
  • adjacent intake funnels along the channel longitudinal axis have a common segment wall.
  • the intake unit provides that the segment walls are designed like a circular sector or a circular ring sector. This allows the inflow area of the intake funnel to be designed with particularly low pressure loss.
  • the intake funnels each have a first funnel wall and a second funnel wall.
  • the funnel walls preferably form a funnel angle.
  • the funnel angle can be between 30° and 270°, preferably between 45° and 135°, particularly preferably between 80° and 100°.
  • the funnel angle can be used to limit an inflow area of the intake funnel in the circumferential direction of the longitudinal axis of the channel.
  • the at least two intake funnels have at least one common funnel wall.
  • all intake funnels have at least one common funnel wall.
  • at least one of the funnel walls, in particular both funnel walls can extend over all intake funnels of the intake unit. This allows the intake unit to be manufactured even more cost-effectively.
  • the first and/or the second suction funnel in particular all suction funnels, are designed in the form of a cylinder sector or a hollow cylinder sector.
  • the inventors have recognized that a cylinder sector or hollow cylinder sector design of the suction funnels is particularly effective in terms of uniform and low-turbulence suction of the process gas.
  • the suction funnels can each have an extension along the longitudinal channel axis of at least 50 millimeters, preferably of at least 100 millimeters, particularly preferably of at least 250 millimeters.
  • the extension of the suction funnels along the longitudinal channel axis depends on a process chamber width and the number of suction funnels.
  • the channel segments can each have a channel segment extension along the channel longitudinal axis.
  • the channel segments can have a mean channel segment radius.
  • the mean channel segment radius can be based on a change in the channel segment radius of the respective channel segment along the Channel longitudinal axis and/or a change in the channel segment radius of the respective channel segment in the circumferential direction of the channel segment.
  • each channel segment has a channel segment ratio between the channel segment extension and the mean channel segment radius of the respective channel segment.
  • the channel segment ratio can be at least 1:1, preferably at least 2:1, particularly preferably at least 3:1. For example, if a channel segment has a channel segment extension of 90 millimeters, the mean channel segment radius with a channel segment ratio of 3:1 is exactly 30 millimeters.
  • a further preferred embodiment of the suction unit is one in which at least two suction funnels have the same extension along the longitudinal axis of the channel. Preferably, all suction funnels of the suction unit have the same extension along the longitudinal axis of the channel. This allows process gas to be extracted evenly from the process chamber.
  • the underlying problem is also solved by an additive manufacturing device.
  • the additive manufacturing device has a process chamber and a suction device for sucking a process gas out of the process chamber of the additive manufacturing device.
  • the suction device has at least one suction unit as described above and below, which is arranged on the suction device.
  • the suction unit is arranged at least predominantly within the process chamber.
  • the additive manufacturing device also has a coating unit for distributing process powder in a working plane of the additive manufacturing device.
  • the suction unit is arranged or formed on the coating unit.
  • the suction unit is designed to follow a movement of the coating unit along a movement axis. As a result, the suction unit can be positioned in the vicinity of the Powder coating can be positioned and the whirled up process powder can be directly sucked up.
  • the additive manufacturing device has at least two suction units described above and below.
  • both suction units are arranged or formed on the coating unit.
  • a first suction unit is arranged or formed upstream of the coating unit along the axis of movement of the coating unit and a second suction unit is arranged or formed downstream of the coating unit along the axis of movement of the coating unit. This allows a particularly wide-reaching suction area to be formed.
  • the funnel wall of at least one suction funnel is formed parallel to the working plane of the additive manufacturing device.
  • Fig. 1 shows a perspective view of an additive manufacturing device with an extraction device having two suction units.
  • Fig. 2 shows the additive manufacturing device from Fig. 1 in a perspective detailed view of the suction units arranged on a coating unit of the additive manufacturing device.
  • Fig. 3 shows the suction units of the suction device from Figs. 1 and 2 arranged on the coating unit in a representation detached from the additive manufacturing device.
  • Fig. 4 shows one of the intake units from Figs. 1 to 3 in a sectional perspective view.
  • Fig. 1 shows an additive manufacturing device 10 according to the invention in a sectional view.
  • the additive manufacturing device 10 has a suction device 12 for sucking process gas (not shown in detail) from a process chamber 14 of the additive manufacturing device 10.
  • the process gas can be supplied to the process chamber 14, for example, via a process gas supply unit 16.
  • process gas can arise during an additive manufacturing process, in particular during a powder bed-based laser melting process (LMF; Laser Metal Fusion), for example in the form of smoke.
  • LMF powder bed-based laser melting process
  • the process gas to be extracted typically contains suspended particles.
  • the process chamber 14 can have a working cylinder 18 as shown.
  • the working cylinder 18 is gradually lowered relative to a working plane 20 of the process chamber 14 during the additive manufacturing process. This creates a working trough (not shown) that is filled with process powder.
  • the process powder in the working trough is at least partially solidified.
  • a laser unit (not shown in detail) can be used here.
  • the working cylinder 18 is then lowered again and further process powder is fed into the resulting working trough, which is then partially solidified again.
  • the process steps are repeated until a workpiece is completed.
  • the work trough is typically filled with process powder by a coating unit 22.
  • the coating unit 22 is moved along a movement axis 24 of the coating unit 22 above the working cylinder 18 in order to evenly distribute the process powder in the work trough.
  • the suction device 12 is arranged predominantly outside the process chamber 14. This allows the process chamber volume to be inerted to be kept small.
  • the suction device 12 has two suction units 26, which are arranged inside the process chamber 14 to enable the process gases to be sucked in.
  • the process gas supplied during additive manufacturing via the process gas supply unit 16 can, for example, flow into the process chamber 14 along main flow paths 28 and secondary flow paths 30 and then be sucked out of the process chamber 14 by the suction units 26. This can bring about a uniform chamber flow and enable manufacturing under optimal process chamber conditions.
  • Fig. 2 shows the additive manufacturing device 10 from Fig. 1 with the coating unit 22 designed for distributing process powder in the working cylinder 18 in a sectional view.
  • the suction units 26 of the suction device 12 are arranged or fastened to the coating unit 22.
  • at least one of the suction units 26 can be formed on the coating unit 22.
  • the suction units 26 are, as shown, arranged upstream and downstream of the coating unit 22 along the movement axis 24 of the coating unit 22. In other words, the suction units 26 are arranged along the movement axis 24 of the coating unit 22 on opposite sides of the Coating unit 22 is arranged. This facilitates a direction-independent extraction of process gas.
  • the suction units 26 or the suction device 12 is designed to follow a movement of the coating unit 22 along the movement axis 24.
  • the suction units 26 are designed to be movable together with the coating unit 22.
  • the suction device 12 is typically designed to be at least partially movable outside the process chamber 14.
  • the process chamber 14 typically has a movable, for example displaceable, chamber opening in a process chamber wall 32 through which the suction units 26 protrude into the process chamber 14.
  • each suction unit 26 can extend at least over the entire width of the working cylinder 18 transversely to the movement axis 24. Preferably, each suction unit 26 extends over the entire width of the process chamber 14 transversely to the movement axis 24. This enables a particularly uniform and turbulence-free suction of the process gases.
  • the suction units 26 each have a suction channel 34 and - here - several suction funnels 36.
  • the suction funnels 36 are arranged or formed on the respective suction channel 34 of the respective suction unit 26. For reasons of clarity, only one suction channel 34 and one suction funnel 36 of a suction unit 26 are provided with a reference symbol.
  • a negative overpressure or underpressure is generated in the suction channel 34 by the suction device 12 compared to the process chamber 14, whereby process gas is sucked in at each suction funnel 36 of the respective suction unit 26.
  • the sucked in process gas is then discharged from the process chamber 14 in a suction direction 38 via the suction channel 34.
  • Fig. 3 shows the coating unit 22 and the suction units 26 from Fig. 2, which are also referred to below as the first suction unit 26a and the second suction unit 26b
  • first suction unit 26a and the second suction unit 26b
  • Each suction unit 26 has a first suction funnel 36a and a second suction funnel 36b for sucking in the process gas. Furthermore, each suction unit 26 has, as shown, a third suction funnel 36c, a fourth suction funnel 36d and a fifth suction funnel 36e.
  • the suction funnels 36a-d are arranged on the respective suction channel 34 of the suction units 26. In other words, the suction funnels 36 of the respective suction unit 26 have a common suction channel 34.
  • the first suction funnel 36a is arranged or fastened or formed on the suction channel 34 in front of the second suction funnel 36b in the (fluidic) suction direction 38.
  • the further suction funnels 36c-e are arranged or formed in an analogous manner on the suction channel 34 downstream of the first and second suction funnels 36a, 36b in the suction direction 38.
  • the suction funnels 36 of a suction unit 26 are arranged one behind the other on the suction channel 34 along a longitudinal channel axis 40.
  • the longitudinal channel axis 40 is designed as a straight line according to the embodiment shown in Fig. 3. Alternatively, it can be provided that the longitudinal channel axis 40 is curved. This allows the suction unit 26 to be adapted to an available process space.
  • the longitudinal channel axis 40 is designed parallel to the suction direction 38 as shown.
  • each intake funnel 36 has at least two segment walls 42 which delimit the respective intake funnel 36 along the channel longitudinal axis 40 (for reasons of clarity, only the segment walls 42 of the intake funnel 36a are provided with a reference number).
  • the part of the intake unit 26 arranged in the process chamber 14 can thus be divided into segments along the channel longitudinal axis 40, with each segment having an intake funnel 36
  • the intake funnels 36 are delimited by walls that are orthogonal to the longitudinal axis 40 of the channel.
  • adjacent intake funnels 36 can have a common segment wall 42.
  • adjacent intake funnels 36 adjoin one another.
  • the segment walls 42 can, as shown, be designed in the shape of a circular segment or an annular segment. This can result in a low-loss flow to the intake funnels 36.
  • each intake funnel 36 has a first funnel wall 44a and a second funnel wall 44b, which delimit the respective intake funnel 36 parallel to the longitudinal channel axis 40 (for reasons of clarity, only the first and second funnel walls 44a, 44b of the intake funnel 36a are provided with a reference number).
  • the intake funnels 36 can also be delimited by the intake channel 34.
  • the intake funnels 36 are designed in the shape of a cylinder sector, here intake funnel 36a, or in the shape of a hollow cylinder sector, here the intake funnels 36b-e.
  • the first funnel wall 44a and the second funnel wall 44b form a funnel angle 46.
  • the funnel angle 46 is preferably between 30° and 270°. This allows a uniform suction area to be achieved on the suction funnel 36. According to the embodiment shown, the funnel angle 46 is approximately or exactly 90°. This allows the available installation space on the coating unit 22 to be used particularly effectively.
  • the first funnel wall 44a is preferably designed parallel to the working plane 20 (see Fig. 1) of the process chamber 14 (see Fig. 1). As a result, the funnel wall 44a can be used to collect excess process powder which is, for example, located in a heap on the working plane 20. As shown, the first funnel walls 44a and the second funnel walls 44b of the intake funnels 36a-e can be formed in one piece. In other words, all intake funnels 36a-e have the same funnel wall 44a or funnel wall 44b. This allows the intake funnels 36 to be formed as a structural unit in a particularly cost-efficient manner.
  • the funnel walls 44a and 44b delimit the suction channel 34.
  • the funnel walls 44a and 44b form a wall of the suction channel 34. This allows the suction unit 26 to be manufactured even more cost-effectively.
  • Fig. 4 shows the suction unit 26b from Fig. 3 in a sectional perspective view.
  • the suction channel 34 has a first channel segment 48a and a second channel segment 48b. Furthermore, the suction channel 34 has a third channel segment 48c, a fourth channel segment 48d and a fifth channel segment 48e.
  • the channel segments 48a-e are fluidically connected in series in the suction direction 38.
  • the channel segments 48a-e can, as shown, at least partially overlap along the longitudinal channel axis 40.
  • the channel segments 48a-e can at least partially protrude into one another.
  • at least one channel segment 48a-d upstream in the suction direction 38 protrudes into the channel segment 48a-e following in the suction direction 38 as far as a channel segment 48c-e next but one in the suction direction 38.
  • several channel segments 48a-d upstream in the suction direction 38 protrude into the channel segment 48b-e following in the suction direction 38 as far as a channel segment 48c-e next but one in the suction direction 38.
  • a channel segment 48a-e can extend completely into another channel segment 48a-e, here channel segment 48d.
  • the channel segments 48a-d upstream in the suction direction 38 have a smaller radial extension relative to the channel longitudinal axis 40 than the channel segments 48b-e downstream in the suction direction 38.
  • the fifth suction funnel 36e opens into the fifth channel segment 48e in the suction direction 38 via a fifth opening cross section 50e of the fifth channel segment 48e into the fifth channel segment 48e.
  • the fourth channel segment 48d and the third channel segment 48c open into the fifth channel segment 48e.
  • the fourth suction funnel 36d opens in the suction direction 38 into the fourth channel segment 48d via a fourth opening cross section 50d of the fourth channel segment 48d.
  • the third suction funnel 36c opens into the third channel segment 48c in the suction direction 38 via a third opening cross section 50c of the third channel segment 48c.
  • the second channel segment 48b opens into the third channel segment 48c.
  • the second suction funnel 36b opens into the second channel segment 48b in the suction direction 38 via a second opening cross section 50b of the second channel segment 48b.
  • the first channel segment 48a opens into the second channel segment 48b.
  • the first suction funnel 36a opens in the suction direction 38 into the first channel segment 48a via a first opening cross section 50a of the first channel segment 48a.
  • the orifice cross sections 50a-e typically have the smallest flow cross-sectional area of the respective channel segment 48a-e.
  • the orifice cross section 50a-e limits the volume flow of process gas that can be extracted through the respective channel segment 48a-e.
  • the flow cross-sectional area of the orifice cross sections 50a-e in Suction direction in particular continuously.
  • a radial extension of the suction channel 34 in the suction direction 38 preferably increases, whereby unnecessary pressure losses due to a larger cumulative volume flow through the individual suction funnels 36 are avoided.
  • the channel segments 48a-e can form a channel segment cross-section in the form of a circular sector or an annular sector.
  • the mouth cross-sections 50a-e are preferably designed in the form of a circular segment, here mouth cross-section 50a, or in the form of an annular segment, here the mouth cross-sections 50b-e.
  • a channel segment 48a-e into which a specific intake funnel 36a-e opens, can delimit the intake funnel 36b-e following in the suction direction 38 as a wall.
  • the first channel segment 48a forms a wall of the second intake funnel 36b.

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  • Filling Or Emptying Of Bunkers, Hoppers, And Tanks (AREA)

Abstract

Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) für eine Absaugvorrichtung (12) zum Absaugen eines Prozessgases aus einer Prozesskammer (14) einer additiven Fertigungsvorrichtung (10), aufweisend - einen ersten Ansaugtrichter (36a) und einen zweiten Ansaugtrichter (36b) zum Ansaugen des Prozessgases innerhalb der Prozesskammer (14); - einen Absaugkanal (34) zum Abführen der durch die Ansaugtrichter (36; 36a-e) angesaugten Prozessgase; wobei der erste Ansaugtrichter (36a) in einer Absaugrichtung (38) vor dem zweiten Ansaugtrichter (36b) an dem Absaugkanal (34) angeordnet oder ausgebildet ist; wobei der Absaugkanal (34) ein erstes Kanalsegment (48a) mit einem ersten Mündungsquerschnitt (50a) und ein zweites Kanalsegment (48b) mit einem zweiten Mündungsquerschnitt (50b) aufweist; wobei der erste Mündungsquerschnitt (50a) eine Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die größer als eine Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Mündungsquerschnitts (50b) ausgebildet ist; und wobei der erste Ansaugtrichter (36a) in das erste Kanalsegment (48a) mündet und der zweite Ansaugtrichter (36b) sowie das erste Kanalsegment (48a) in das zweite Kanalsegment (48b) mündet.

Description

Ansaugeinheit für eine Absaugvorrichtung sowie additive Fertigungsvorrichtung mit einer Absaugvorrichtung
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Ansaugeinheit für eine Absaugvorrichtung. Die Erfindung betrifft zudem eine additive Fertigungsvorrichtung mit einer eine Ansaugeinheit aufweisenden Absaugvorrichtung.
Insbesondere bei additiven Fertigungsverfahren wie beispielsweise dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) erfolgt das Fertigen in einer Schutzgasatmosphäre, um hohe Fertigungsgenauigkeiten sicherzustellen.
Zum Herstellen der Schutzgasatmosphäre, dem sogenannten „Inertisieren" wird typischerweise eine Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung mit einem Prozessgas, bzw. Schutzgas beaufschlagt, welches über eine Prozessgaszuführungseinheit in das Innere der Prozesskammer eingeströmt wird.
Während des additiven Fertigens wird das Prozessgas jedoch mit Schwebeteilchen, beispielsweise aufgewirbeltem Prozesspulver, und/oder fertigungsbedingt entstandenem Schmauch vermischt bzw. verunreinigt, wodurch die Qualität des additiven Fertigungsverfahrens sinkt.
Daher ist im Stand der Technik üblicherweise vorgesehen, das verunreinigte Prozessgas über eine Absaugvorrichtung aus der Prozesskammer abzusaugen. Hierbei werden hohe Anforderungen an die Absaugvorrichtung gestellt. Insbesondere muss die Absaugvorrichtung eine möglichst gleichmäßige und verwirbelungsfreie Prozesskammerströmung bewirken, um ein effektives Absaugen des verunreinigten Prozessgases zu ermöglichen und ein Aufwirbeln von weiterem Prozesspulver sowie das Umlenken von Schmauch und anderen Prozessemissionen in Richtung des Pulverbetts zu verhindern.
Darüber hinaus werden besondere Anforderungen an Absaugvorrichtung gestellt, die eine innerhalb der Prozesskammer bewegliche Ansaugeinheit aufweisen. Derartige Absaugvorrichtungen werden beispielsweise in additiven Fertigungsvorrichtung verwendet, die ein paralleles Beschichten mit Prozesspulver sowie Verfestigen von Prozesspulver in einem Arbeitszylinder vorsehen. Die Ansaugeinheit wird dabei im Umfeld des zu beschichtenden Arbeitszylinders bewegt, um aufgewirbeltes Prozesspulver schnellstmöglich abzusaugen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum verwirbelungsfreien und gleichmäßigen Absaugen von Prozessgas aus einer Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrichtung anzugeben.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ansaugeinheit gemäß Patentanspruch 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch eine additive Fertigungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 15. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist eine Ansaugeinheit vorgesehen. Die Ansaugeinheit ist zur Anordnung an einer Absaugvorrichtung geeignet, bzw. ausgebildet. Mit anderen Worten kann eine Absaugvorrichtung mit der Ansaugeinheit ausgerüstet werden. Die Ansaugeinheit kann zu diesem Zweck einen Rohranschluss aufweisen. Dies ermöglicht das einfache Nachrüsten bzw. Umrüsten von bestehenden Absaugvorrichtungen.
Die Ansaugeinheit ist ferner zum Absaugen eines Prozessgases aus einer Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrichtung geeignet, bzw. ausgebildet. Darüber hinaus kann die Ansaugeinheit zum Ansaugen verschiedenartiger gasförmiger Medien ausgebildet sein. Typischerweise ist die Ansaugeinheit zum Ansaugen von in dem gasförmigen Medium enthaltenen Schwebeteilchen, bspw. Prozesspulver, ausgebildet.
Die Ansaugeinheit weist einen ersten Ansaugtrichter und einen zweiten Ansaugtrichter auf. Mit anderen Worten weist die Ansaugeinheit zumindest zwei Ansaugtrichter auf. Die Ansaugtrichter sind zum Ansaugen des Prozessgases innerhalb der Prozesskammer ausgebildet.
Jeder der Ansaugtrichter weist typischerweise eine Einströmfläche auf, durch die das angesaugte Prozessgas in den jeweiligen Ansaugtrichter einströmt. Jeder der Ansaugtrichter kann ferner eine Abströmfläche aufweisen, durch die das angesaugte Prozessgas aus dem jeweiligen Ansaugtrichter abgeführt werden kann. Die Ansaugtrichter weisen üblicherweise jeweils einen sich von der Einströmfläche zur Abströmfläche verjüngenden Strömungsquerschnitt auf.
Erfindungsgemäß weist die Ansaugeinheit zudem einen Absaugkanal auf. Der Absaugkanal ist zum Abführen der durch die Ansaugtrichter angesaugten Prozessgase ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Absaugkanal zur Anordnung bzw. Befestigung an den Abströmflächen der Ansaugtrichter ausgebildet. Typischerweise ist der Absaugkanal zur, insbesondere gasdichten, Anordnung an einer Absaugvorrichtung ausgebildet.
Der erste Ansaugtrichter ist erfindungsgemäß in einer Absaugrichtung vor dem zweiten Ansaugtrichter an dem Absaugkanal angeordnet bzw. befestigt. Typischerweise ist der erste Ansaugtrichter weiter von dem Rohranschluss entfernt als der zweite Ansaugtrichter. Typischerweise legt das durch den ersten Ansaugtrichter angesaugte Prozessgas innerhalb des Absaugkanals einen längeren Strömungsweg als das durch den zweiten Ansaugtrichter angesaugte Prozessgas zurück. Der Absaugkanal weist ein erstes Kanalsegment mit einem ersten Mündungsquerschnitt und ein zweites Kanalsegment mit einem zweiten Mündungsquerschnitt auf. Der erste Ansaugtrichter mündet erfindungsgemäß in das erste Kanalsegment. Mit anderen Worten kann das erste Kanalsegment mit dem ersten Mündungsquerschnitt an der Abströmfläche des ersten Ansaugtrichters angeordnet sein. Zudem mündet das erste Kanalsegment sowie der zweite Ansaugtrichter in das zweite Kanalsegment.
Der erste Mündungsquerschnitt des ersten Kanalsegments weist dabei eine Strömungsquerschnittsfläche auf, die größer als eine Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Mündungsquerschnitts des zweiten Kanalsegments ist.
Zusammenfassend wird eine Ansaugeinheit angegeben, die ein Absaugen von Prozessgas mit zumindest zwei Ansaugtrichtern vorschlägt. Die trichterförmige Ausbildung begünstigt dabei das Ansaugen von Prozessgas in einem weiten Umfeld des Ansaugtrichters. Weiterhin wird vorgeschlagen einen strömungswegbedingten Druckverlust innerhalb des Absaugkanals durch Anpassen des Mündungsquerschnitts an dem jeweiligen Kanalsegment zu kompensieren, wodurch ein gleichmäßiger Prozessvolumenstrom je Ansaugtrichter bewirkt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ansaugeinheit kann so ein gleichmäßiges Ansaugen von Prozessgas aus der Prozesskammer mit verhältnismäßig geringen Strömungsgeschwindigkeiten erfolgen. Ansaugbedingtes Aufwirbeln des Prozesspulvers sowie das Umlenken von Schmauch und Prozessemissionen in Richtung des Pulverbetts durch Verwirbelungen in der Prozesskammerströmung können effektiv vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Ansaugeinheit zumindest ein weiteres Kanalsegment und zumindest einen weiteren Ansaugtrichter auf. Vorzugsweise weist die Ansaugeinheit mehrere, insbesondere drei, weitere Kanalsegmente und eine entsprechende Anzahl an Ansaugtrichtern auf. Eine größere Anzahl an Kanalsegmenten sowie Ansaugtrichtern begünstigt ein noch gleichmäßigeres Absaugen von Prozessgas. Das weitere Kanalsegment ist vorzugsweise in der Absaugrichtung hinter dem ersten Kanalsegment und dem zweiten Kanalsegment an dem Absaugkanal angeordnet oder ausgebildet ist. Weiter vorzugsweise mündet das sich in Absaugrichtung vor dem weiteren Kanalsegment befindende Kanalsegment und der weitere Ansaugtrichter in das weitere Kanalsegment. Beispielsweise kann das zweite Kanalsegment sowie ein dritter Ansaugtrichter in ein drittes Kanalsegment münden. Weiter beispielsweise kann ein viertes Kanalsegment und ein fünfter Ansaugtrichter in ein fünftes Kanalsegment münden.
Bevorzugt ist weiter eine Ausführungsform der Ansaugeinheit, bei der das erste Kanalsegment in das zweite Kanalsegment ragt. Mit anderen Worten überlappt das erste Kanalsegment entlang einer Kanallängsachse des Absaugkanals das zweite Kanalsegment. Das erste Kanalsegment kann in diesem Fall zum Führen der Prozessgasströmung durch den zweiten Ansaugtrichter verwendet werden. Hierdurch wird ein verwirbelungsarmes Zusammenführen der einzelnen Prozessgasströmungen durch die Ansaugtrichter innerhalb des Absaugkanals begünstigt.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Ausführungsform sieht vor, dass mehrere, insbesondere alle, Kanalsegmente in das dem jeweiligen Kanalsegment in Absaugrichtung nachfolgende Kanalsegment ragen. Mit anderen Worten ragen in Absaugrichtung benachbarte Kanalsegmente ineinander. Hierdurch kann die verwirbelungsarme Strömungszusammenführung weiter begünstigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Ansaugeinheit weisen die Mündungsquerschnitte in Absaugrichtung des Absaugkanals eine sich verringernde Strömungsquerschnittsfläche auf. Mit anderen Worten ist eine Strömungsquerschnittsfläche eines Mündungsquerschnitts mit zunehmendem Strömungsweg innerhalb des Absaugkanals zunehmend vergrößert ausgebildet. Hierdurch kann der Druckverlust an den in Absaugrichtung stromabwärts angeordneten Ansaugtrichtern erhöht werden, um eine weitestgehende Volumenstromgleichverteilung über alle Ansaugtrichter sicherzustellen. Alternativ oder zusätzlich ist der Absaugkanal derart ausgebildet, dass sich eine Kanalquerschnittsfläche des Absaugkanals in einer Absaugrichtung des Absaugkanals vergrößert. Mit anderen Worten vergrößert sich der Strömungsquerschnitt des Absaugkanals in Absaugrichtung. Hierdurch können Druckverluste durch die Strömungszusammenführung der durch die Ansaugtrichter angesaugten Prozessgasvolumenströme verhindert werden, was eine gleichmäßige Absaugung weiter begünstigt.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Ansaugeinheit, bei der zumindest ein Mündungsquerschnitt kreissektorartig oder kreisringsektorartig ausgebildet ist. Hierdurch können geometrisch bedingte Druckverluste geringgehalten werden.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Ansaugeinheit, bei der das erste Kanalsegment den zweiten Ansaugtrichter begrenzt. Mit anderen Worten bildet das erste Kanalsegment eine Wandung des zweiten Ansaugtrichters aus. Hierdurch kann die Ansaugeinheit weiter ressourcenschonend gefertigt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Ansaugeinheit werden die Ansaugtrichter jeweils entlang einer Kanallängsachse durch zwei Segmentwandungen begrenzt, wobei die Segmentwandungen, insbesondere orthogonal, zu der Kanallängsachse ausgebildet sind. Hierdurch kann ein Ansaugbereich des jeweiligen Ansaugtrichters effektiv gegenüber dem zumindest einen weiteren Ansaugtrichter begrenzt werden. Vorzugsweise weisen entlang der Kanallängsachse benachbarte Ansaugtrichter eine gemeinsame Segmentwandung auf. Hierdurch kann die Ansaugeinheit weiter kostengünstig und ressourcenschonend hergestellt werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Ansaugeinheit sieht vor, dass die Segmentwandungen kreissektorartig oder kreisringsektorartig ausgebildet sind. Hierdurch kann der Einströmbereich des Ansaugtrichters besonders druckverlustarm ausgebildet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Ansaugeinheit weisen die Ansaugtrichter jeweils eine erste Trichterwand und eine zweite Trichterwand auf. Vorzugsweise bilden die Trichterwände einen Trichterwinkel aus. Der Trichterwinkel kann zwischen 30° und 270°, vorzugsweise zwischen 45° und 135°, besonders bevorzugt zwischen 80° und 100°, betragen. Durch den Trichterwinkel kann ein Einströmbereich des Ansaugtrichters in Umfangsrichtung der Kanallängsachse begrenzt werden.
Bevorzugt ist zudem eine Weiterbildung der Ansaugeinheit, bei der die zumindest zwei Ansaugtrichter zumindest eine gemeinsame Trichterwand aufweisen. Vorzugsweise weisen alle Ansaugtrichter zumindest eine gemeinsame Trichterwand auf. Mit anderen Worten kann sich zumindest eine der Trichterwände, insbesondere beide Trichterwände, über alle Ansaugtrichter der Ansaugeinheit erstrecken. Hierdurch kann die Ansaugeinheit noch kostengünstiger hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Ansaugeinheit sind der erste und/oder der zweite Ansaugtrichter, insbesondere alle Ansaugtrichter, zylindersektorartig oder hohlzylindersektorartig ausgebildet. Die Erfinder haben erkannt, dass eine zylindersektorartige bzw. hohlzylindersektorartige Ausbildung der Ansaugtrichter besonders wirkungsvoll in Bezug auf ein gleichmäßiges und verwirbelungsarmes Ansaugen des Prozessgases ist.
Die Ansaugtrichter können jeweils eine Erstreckung entlang der Kanallängsachse von mindestens 50 Millimeter, vorzugsweise von mindestens 100 Millimetern, besonders bevorzugt von mindestens 250 Millimetern aufweisen. Typischerweise ist die Erstreckung der Ansaugtrichter entlang der Kanallängsachse von einer Prozesskammerbreite sowie der Anzahl der Ansaugtrichter abhängig.
Die Kanalsegmente können jeweils eine Kanalsegmenterstreckung entlang der Kanallängsachse aufweisen. Die Kanalsegmente können einen mittleren Kanalsegmentradius aufweisen. Der mittlere Kanalsegmentradius kann auf eine Änderung des Kanalsegmentradius des jeweiligen Kanalsegments entlang der Kanallängsachse und/oder eine Änderung des Kanalsegmentradius des jeweiligen Kanalsegments in Umfangsrichtung des Kanalsegments bezogen sein. Vorzugsweise weist jedes Kanalsegment ein Kanalsegmentverhältnis zwischen der Kanalsegmenterstreckung und dem mittleren Kanalsegmentradius des jeweiligen Kanalsegments auf. Das Kanalsegmentverhältnis kann mindestens 1 : 1, vorzugsweise mindestens 2: 1, besonders bevorzugt mindestens 3: 1, betragen. Weist ein Kanalsegment beispielsweise eine Kanalsegmenterstreckung von 90 Millimeter auf, beträgt der mittlere Kanalsegmentradius bei einem Kanalsegmentverhältnis von 3: 1 genau 30 Millimeter.
Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Ansaugeinheit, bei der zumindest zwei Ansaugtrichter entlang der Kanallängsachse die gleiche Erstreckung aufweisen. Vorzugsweise weisen alle Ansaugtrichter der Ansaugeinheit entlang der Kanallängsachse die gleiche Erstreckung auf. Hierdurch kann ein noch gleichmäßiges Absaugen von Prozessgas aus der Prozesskammer erfolgen.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird zudem gelöst durch eine additive Fertigungsvorrichtung. Die additive Fertigungsvorrichtung weist eine Prozesskammer sowie eine Absaugvorrichtung zum Absaugen eines Prozessgases aus der Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung auf.
Erfindungsgemäß weist die Absaugvorrichtung zumindest eine vorhergehend und im Folgenden beschriebene Ansaugeinheit auf, die an der Absaugvorrichtung angeordnet ist. Die Ansaugeinheit ist zumindest überwiegend innerhalb der Prozesskammer angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die additive Fertigungsvorrichtung zudem eine Beschichtereinheit zum Verteilen von Prozesspulver in einer Arbeitsebene der additiven Fertigungsvorrichtung auf. Vorzugsweise ist die Ansaugeinheit an der Beschichtereinheit angeordnet oder ausgebildet. Die Ansaugeinheit ist dazu ausgebildet, einer Bewegung der Beschichtereinheit entlang einer Bewegungsachse zu folgen. Hierdurch kann die Ansaugeinheit im Umfeld der Pulverbeschichtung positioniert werden und aufgewirbeltes Prozesspulver direkt ansaugen.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung der additiven Fertigungsvorrichtung, bei der die additive Fertigungsvorrichtung zumindest zwei vorhergehend und im Folgenden beschriebene Absaugeinheiten aufweist. Vorzugsweise sind beide Ansaugeinheiten an der Beschichtereinheit angeordnet oder ausgebildet. Besonders bevorzugt ist eine erste Absaugeinheit an der Beschichtereinheit entlang der Bewegungsachse der Beschichtereinheit vorgelagert angeordnet oder ausgebildet und eine zweite Absaugeinheit an der Beschichtereinheit entlang der Bewegungsachse der Beschichtereinheit nachgelagert angeordnet oder ausgebildet. Hierdurch kann ein besonders weitreichender Ansaugbereich ausgebildet werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der additiven Fertigungsvorrichtung in Verbindung mit einer eine Trichterwand aufweisenden Ansaugeinheit, ist die Trichterwand von zumindest einem Ansaugtrichter parallel zur Arbeitsebene der additiven Fertigungsvorrichtung ausgebildet. Hierdurch können Schwebeteilchen und/oder auf der Arbeitsebene angehäuftes Prozesspulver durch die Trichterwand aufgenommen werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt perspektivisch dargestellt eine additive Fertigungsvorrichtung mit einer zwei Ansaugeinheiten aufweisenden Absaugvorrichtung. Fig. 2 zeigt die additive Fertigungsvorrichtung aus Fig. 1 in einer perspektivischen Detailansicht auf die an einer Beschichtereinheit der additiven Fertigungsvorrichtung angeordneten Ansaugeinheiten.
Fig. 3 zeigt die an der Beschichtereinheit angeordneten Ansaugeinheiten der Absaugvorrichtung aus den Fign. 1 und 2 in einer von der additiven Fertigungsvorrichtung losgelösten Darstellung.
Fig. 4 zeigt eine der Ansaugeinheiten aus den Fign. 1 bis 3 in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße additive Fertigungsvorrichtung 10 in einer geschnittenen Ansicht. Die additive Fertigungsvorrichtung 10 weist eine Absaugvorrichtung 12 zum Absaugen von nicht näher dargestelltem Prozessgas aus einer Prozesskammer 14 der additiven Fertigungsvorrichtung 10 auf.
Das Prozessgas kann der Prozesskammer 14 beispielsweise über eine Prozessgaszuführungseinheit 16 zugeführt werden. Weiter beispielsweise kann Prozessgas während eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere während eines pulverbettbasierten Laserschmelzverfahrens (LMF; Laser Metal Fusion), beispielsweise in Form von Schmauch, entstehen. Das abzusaugende Prozessgas weist typischerweise Schwebeteilchen auf.
Die Prozesskammer 14 kann darstellungsgemäß einen Arbeitszylinder 18 aufweisen. Der Arbeitszylinder 18 wird während des additiven Fertigungsverfahrens schrittweise gegenüber einer Arbeitsebene 20 der Prozesskammer 14 abgesenkt. Hierdurch entsteht eine nicht gezeigte Arbeitsmulde, die durch Prozesspulver gefüllt wird. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird das in der Arbeitsmulde befindliche Prozesspulver zumindest teilweise verfestigt. Hierbei kann beispielsweise eine nicht näher dargestellte Lasereinheit verwendet werden. Anschließend wird der Arbeitszylinder 18 erneut abgesenkt und der dabei entstehenden Arbeitsmulde weiteres Prozesspulver zugeführt, welches anschließend erneut teilweise verfestigt wird. Die Verfahrensschritte werden bis zur Fertigstellung eines Werkstücks wiederholt. Das Befüllen der Arbeitsmulde mit Prozesspulver erfolgt typischerweise durch eine Beschichtereinheit 22. Die Beschichtereinheit 22 wird dabei entlang einer Bewegungsachse 24 der Beschichtereinheit 22 oberhalb des Arbeitszylinders 18 bewegt, um das Prozesspulver gleichmäßig in der Arbeitsmulde zu verteilen.
Vorzugsweise ist die Absaugvorrichtung 12, wie dargestellt, überwiegend außerhalb der Prozesskammer 14 angeordnet. Hierdurch kann das zu inertisierende Prozesskammervolumen geringgehalten werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform weist die Absaugvorrichtung 12 zwei Ansaugeinheiten 26 auf, die innerhalb der Prozesskammer 14 angeordnet sind, um das Ansaugen der Prozessgase zu ermöglichen.
Das während des additiven Fertigens über die Prozessgaszuführungseinheit 16 zugeführte Prozessgas kann beispielsweise entlang von Hauptströmungspfaden 28 und von Nebenströmungspfaden 30 in die Prozesskammer 14 strömen und anschließend durch die Ansaugeinheiten 26 aus der Prozesskammer 14 abgesaugt werden. Hierdurch kann eine gleichmäßige Kammerströmung bewirkt und das Fertigen unter optimalen Prozesskammerbedingungen ermöglicht werden.
Fig. 2 zeigt die additive Fertigungsvorrichtung 10 aus Fig. 1 mit der zum Verteilen von Prozesspulver in dem Arbeitszylinder 18 ausgebildeten Beschichtereinheit 22 in einer geschnittenen Ansicht.
Die Ansaugeinheiten 26 der Absaugvorrichtung 12 sind in der gezeigten Ausführungsform an der Beschichtereinheit 22 angeordnet oder befestigt. In besonderer Ausführungsform kann zumindest eine der Ansaugeinheiten 26 an der Beschichtereinheit 22 ausgebildet sein.
Die Absaugeinheiten 26 sind, wie dargestellt, entlang der Bewegungsachse 24 der Beschichtereinheit 22 an der Beschichtereinheit 22 vorgelagert und nachgelagert angeordnet. Mit anderen Worten sind die Absaugeinheiten 26 entlang der Bewegungsachse 24 der Beschichtereinheit 22 an gegenüberliegenden Seiten der Beschichtereinheit 22 angeordnet. Hierdurch wird ein richtungsunabhängiges Absaugen von Prozessgas begünstigt.
Die Ansaugeinheiten 26 bzw. die Absaugvorrichtung 12 ist dazu ausgebildet, einer Bewegung der Beschichtereinheit 22 entlang der Bewegungsachse 24 zu folgen. Mit anderen Worten sind Ansaugeinheiten 26 zusammen mit der Beschichtereinheit 22 bewegbar ausgebildet. Die Absaugvorrichtung 12 ist zu diesem Zweck typischerweise außerhalb der Prozesskammer 14 zumindest teilweise beweglich ausgebildet. Die Prozesskammer 14 weist typischerweise eine bewegliche, beispielsweise verschiebbare, Kammeröffnung in einer Prozesskammerwandung 32 auf, durch die die Ansaugeinheiten 26 in die Prozesskammer 14 ragen.
Darstellungsgemäß kann sich jede Ansaugeinheit 26 zumindest über die gesamte Breite des Arbeitszylinders 18 quer zur Bewegungsachse 24 erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich jede Ansaugeinheit 26 über die gesamte Breite der Prozesskammer 14 quer zur Bewegungsachse 24. Hierdurch wird ein besonders gleichmäßiges und verwirbelungsfreies Absaugen der Prozessgase ermöglicht.
Die Ansaugeinheiten 26 weisen jeweils einen Absaugkanal 34 sowie - hier - mehrere Ansaugtrichter 36 auf. Die Ansaugtrichter 36 sind an dem jeweiligen Absaugkanal 34 der jeweiligen Ansaugeinheit 26 angeordnet, bzw. ausgebildet. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist lediglich ein Absaugkanal 34 sowie ein Ansaugtrichter 36 einer Ansaugeinheit 26 mit einem Bezugszeichen versehen.
Während des Absaugens wird in dem Absaugkanal 34 durch die Absaugvorrichtung 12 ein negativer Überdruck, bzw. Unterdrück gegenüber der Prozesskammer 14 erzeugt, wodurch ein Ansaugen von Prozessgas an jedem Ansaugtrichter 36 der jeweiligen Ansaugeinheit 26 bewirkt wird. Das angesaugte Prozessgas wird sodann in einer Absaugrichtung 38 über den Absaugkanal 34 aus der Prozesskammer 14 abgeführt.
Fig. 3 zeigt die Beschichtereinheit 22 und die Ansaugeinheiten 26 aus Fig. 2, die im Folgenden auch als erste Ansaugeinheit 26a und zweite Ansaugeinheit 26b bezeichnet werden. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind im Folgenden lediglich die Komponenten der ersten Ansaugeinheit 26a mit einem Bezugszeichen versehen.
Jede Ansaugeinheit 26 weist einen ersten Ansaugtrichter 36a und einen zweiten Ansaugtrichter 36b zum Ansaugen des Prozessgases auf. Ferner weist jede Ansaugeinheit 26 darstellungsgemäß einen dritten Ansaugtrichter 36c, einen vierten Ansaugtrichter 36d und einen fünften Ansaugtrichter 36e auf. Die Ansaugtrichter 36a-d sind an dem jeweiligen Absaugkanal 34 der Ansaugeinheiten 26 angeordnet. Mit anderen Worten weisen die Ansaugtrichter 36 der jeweiligen Ansaugeinheit 26 einen gemeinsamen Absaugkanal 34 auf.
Darstellungsgemäß ist der erste Ansaugtrichter 36a in der (fluidischen) Absaugrichtung 38 vor dem zweiten Ansaugtrichter 36b an dem Absaugkanal 34 angeordnet bzw. befestigt oder ausgebildet. Die weiteren Ansaugtrichter 36c-e sind in analoger Weise in Absaugrichtung 38 dem ersten und dem zweiten Ansaugtrichter 36a, 36b nachgelagert an dem Absaugkanal 34 angeordnet oder ausgebildet. In anderen Worten sind die Ansaugtrichter 36 einer Ansaugeinheit 26 entlang einer Kanallängsachse 40 hintereinander aufgereiht an dem Absaugkanal 34 angeordnet. Die Kanallängsachse 40 ist gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform als Gerade ausgebildet. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Kanallängsachse 40 gekrümmt ausgebildet ist. Hierdurch kann die Absaugeinheit 26 an einen zur Verfügung stehenden Prozessraum angepasst werden. Die Kanallängsachse 40 ist darstellungsgemäß parallel zur Absaugrichtung 38 ausgebildet.
Gemäß der dargestellten Ausführungsform weist jeder Ansaugtrichter 36 zumindest zwei Segmentwandungen 42 auf, die den jeweiligen Ansaugtrichter 36 entlang der Kanallängsachse 40 begrenzen (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die Segmentwandungen 42 des Ansaugtrichters 36a mit einem Bezugszeichen versehen). Der in der Prozesskammer 14 (siehe Fig. 2) angeordneter Teil der Ansaugeinheit 26 kann so entlang der Kanallängsachse 40 in Segmente aufgeteilt werden, wobei jedes Segment einen Ansaugtrichter 36 umfasst. Vorzugsweise werden die Ansaugtrichter 36 durch zur Kanallängsachse 40 orthogonal ausgebildete Wandungen begrenzt.
Darstellungsgemäß können benachbarte Ansaugtrichter 36 eine gemeinsame Segmentwandung 42 aufweisen. Mit anderen Worten grenzen in diesem Fall benachbarte Ansaugtrichter 36 aneinander an. Die Segmentwandungen 42 können, wie dargestellt, kreissegmentförmig oder kreisringsegmentförmig ausgebildet sein. Hierdurch kann ein verlustarmes Anströmen der Ansaugtrichter 36 bewirkt werden.
Vorzugsweise weist jeder Ansaugtrichter 36 eine erste Trichterwand 44a und eine zweite Trichterwand 44b auf, die den jeweiligen Ansaugtrichter 36 parallel zur Kanallängsachse 40 begrenzen (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich die erste und die zweite Trichterwand 44a, 44b des Ansaugtrichters 36a mit einem Bezugszeichen versehen). Wie dargestellt, können die Ansaugtrichter 36 zudem durch den Ansaugkanal 34 begrenzt werden. Vorzugsweise sind die Ansaugtrichter 36 zylindersektorartig, hier Ansaugtrichter 36a, oder hohlzylindersektorartig, hier die Ansaugtrichter 36b-e, ausgebildet.
Die erste Trichterwand 44a und die zweite Trichterwand 44b bilden einen Trichterwinkel 46 aus. Der Trichterwinkel 46 beträgt vorzugsweise zwischen 30° und 270° Grad. Hierdurch kann ein gleichmäßiger Ansaugbereich an dem Ansaugtrichter 36 bewirkt werden. Gemäß der dargestellten Ausführungsform beträgt der Trichterwinkel 46 annähernd, bzw. genau 90°. Hierdurch kann ein zur Verfügung stehender Bauraum an der Beschichtereinheit 22 besonders effektiv genutzt werden.
Die erste Trichterwand 44a ist vorzugsweise parallel zu der Arbeitsebene 20 (siehe Fig. 1) der Prozesskammer 14 (siehe Fig. 1) ausgebildet. Hierdurch kann die Trichterwand 44a zum Aufnehmen von überschüssigem Prozesspulver verwendet werden, das sich beispielsweise als Häufung auf der Arbeitsebene 20 befindet. Darstellungsgemäß können die ersten Trichterwände 44a und die zweiten Trichterwände 44b der Ansaugtrichter 36a-e einstückig ausgebildet sein. Mit anderen Worten weisen alle Ansaugtrichter 36a-e die gleiche Trichterwand 44a, bzw. Trichterwand 44b auf. Hierdurch können die Ansaugtrichter 36 besonderes kosteneffizient als bauliche Einheit ausgebildet werden.
Weiter darstellungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Trichterwände 44a bzw. 44b den Absaugkanal 34 begrenzen. Mit anderen Worten bilden die Trichterwände 44a bzw. 44b eine Wandung des Absaugkanals 34 aus. Hierdurch kann die Ansaugeinheit 26 noch kostengünstiger hergestellt werden.
Fig. 4 zeigt die Ansaugeinheit 26b aus Fig. 3 in einer geschnittenen perspektivischen Darstellung.
Darstellungsgemäß weist der Absaugkanal 34 ein erstes Kanalsegment 48a und ein zweites Kanalsegment 48b auf. Ferner weist der Absaugkanal 34 ein drittes Kanalsegment 48c, ein viertes Kanalsegment 48d und ein fünftes Kanalsegment 48e auf.
Die Kanalsegmente 48a-e sind in Absaugrichtung 38 fluidisch in Reihe geschaltet. Die Kanalsegmente 48a-e können sich, wie dargestellt, entlang der Kanallängsachse 40 zumindest teilweise überlappen. Mit anderen Worten können die Kanalsegmente 48a-e zumindest teilweise ineinander ragen. Insbesondere ragt zumindest ein in Absaugrichtung 38 vorgelagertes Kanalsegment 48a-d bis zu einem in Absaugrichtung 38 übernächsten Kanalsegment 48c-e in das in Absaugrichtung nachfolgende Kanalsegment 48a-e. Vorzugsweise ragen mehrere in Absaugrichtung 38 vorgelagerte Kanalsegmente 48a-d bis zu einem in Absaugrichtung 38 übernächsten Kanalsegment 48c-e in das in Absaugrichtung 38 nachfolgende Kanalsegment 48b-e. Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Kanalsegment 48a-e, hier Kanalsegment 48c, vollständig in ein anderes Kanalsegment 48a-e, hier Kanalsegment 48d, ragen. Typischerweise weisen die in Absaugrichtung 38 vorgelagerten Kanalsegmente 48a-d gegenüber den in Absaugrichtung 38 nachgelagerten Kanalsegmenten 48b- e eine geringere radiale Erstreckung bezogen auf die Kanallängsachse 40 auf.
Gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Ansaugeinheit 26b mündet der fünfte Ansaugtrichter 36e das fünfte Kanalsegment 48e in der Absaugrichtung 38 über einen fünften Mündungsquerschnitt 50e des fünften Kanalsegments 48e in das fünfte Kanalsegment 48e. Zudem mündet das vierte Kanalsegment 48d und das dritte Kanalsegment 48c in dem fünften Kanalsegment 48e.
Der vierte Ansaugtrichter 36d mündet in der Absaugrichtung 38 über einen vierten Mündungsquerschnitt 50d des vierten Kanalsegments 48d in das vierte Kanalsegment 48d.
Der dritte Ansaugtrichter 36c mündet in der Absaugrichtung 38 über einen dritten Mündungsquerschnitt 50c des dritten Kanalsegments 48c in das dritte Kanalsegment 48c. Zudem mündet das zweite Kanalsegment 48b in dem dritten Kanalsegment 48c.
Der zweite Ansaugtrichter 36b mündet in der Absaugrichtung 38 über einen zweiten Mündungsquerschnitt 50b des zweiten Kanalsegments 48b in das zweite Kanalsegment 48b. Zudem mündet das erste Kanalsegment 48a in das zweite Kanalsegment 48b.
Der erste Ansaugtrichter 36a mündet in der Absaugrichtung 38 über einen ersten Mündungsquerschnitt 50a des ersten Kanalsegments 48a in das erste Kanalsegment 48a.
Die Mündungsquerschnitte 50a-e weisen typischerweise die geringste Strömungsquerschnittsfläche des jeweiligen Kanalsegments 48a-e auf. Mit anderen Worten begrenzt der Mündungsquerschnitt 50a-e den durch das jeweilige Kanalsegment 48a-e absaugbaren Volumenstrom an Prozessgas. Vorzugsweise nimmt die Strömungsquerschnittsfläche der Mündungsquerschnitte 50a-e in Absaugrichtung, insbesondere stetig, ab. Hierdurch kann ein über die Ansaugtrichter 36 angesaugter Volumenstrom an Prozessgas für die Ansaugtrichter 36, ungeachtet eines Druckverlustes in dem Absaugkanal 34, konstant gehalten werden.
Demgegenüber nimmt eine radiale Erstreckung des Absaugkanals 34 in Absaugrichtung 38 vorzugsweise zu, wodurch unnötige Druckverluste in Folge eines größeren aufsummierten Volumenstroms durch die einzelnen Ansaugtrichter 36 vermieden werden.
Die Kanalsegmente 48a-e können einen kreissektorartigen oder kreisringsektorartigen Kanalsegmentquerschnitt ausbilden. Vorzugsweise sind die Mündungsquerschnitte 50a-e kreissegmentartig, hier Mündungsquerschnitt 50a, oder kreisringsementartig, hier die Mündungsquerschnitte 50b-e, ausgebildet.
Darstellungsgemäß kann ein Kanalsegment 48a-e, in das ein bestimmter Ansaugtrichter 36a-e mündet, den in Absaugrichtung 38 nachfolgenden Ansaugtrichter 36b-e als Wandung begrenzen. Beispielsweise bildet das erste Kanalsegment 48a eine Wandung des zweiten Ansaugtrichters 36b aus.
Bezuqszeichenliste
Additive Fertigungsvorrichtung 10;
Absaugvorrichtung 12;
Prozesskammer 14;
Prozessgaszuführungseinheit 16;
Arbeitszylinder 18;
Arbeitsebene 20;
Beschichtereinheit 22;
Bewegungsachse 24;
Ansaugeinheit 26, 26a, 26b;
Hauptströmungspfad 28;
Nebenströmungspfad 30;
Prozesskammerwandung 32;
Absaugkanal 34;
Ansaugtrichter 36, 36a-e;
Absaugrichtung 38;
Kanallängsachse 40;
Segmentwandung 42;
Trichterwand 44a, b;
Trichterwinkel 46;
Kanalsegment 48a-e;
Mündungsquerschnitt 50a-e.

Claims

Patentansprüche Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) für eine Absaugvorrichtung (12) zum Absaugen eines Prozessgases aus einer Prozesskammer (14) einer additiven Fertigungsvorrichtung (10), aufweisend
- einen ersten Ansaugtrichter (36a) und einen zweiten Ansaugtrichter (36b) zum Ansaugen des Prozessgases innerhalb der Prozesskammer (14);
- einen Absaugkanal (34) zum Abführen der durch die Ansaugtrichter (36; 36a-e) angesaugten Prozessgase; wobei der erste Ansaugtrichter (36a) in einer Absaugrichtung (38) vor dem zweiten Ansaugtrichter (36b) an dem Absaugkanal (34) angeordnet oder ausgebildet ist; wobei der Absaugkanal (34) ein erstes Kanalsegment (48a) mit einem ersten Mündungsquerschnitt (50a) und ein zweites Kanalsegment (48b) mit einem zweiten Mündungsquerschnitt (50b) aufweist; wobei der erste Mündungsquerschnitt (50a) eine Strömungsquerschnittsfläche aufweist, die größer als eine Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Mündungsquerschnitts (50b) ausgebildet ist; und wobei der erste Ansaugtrichter (36a) in das erste Kanalsegment (48a) mündet und der zweite Ansaugtrichter (36b) sowie das erste Kanalsegment (48a) in das zweite Kanalsegment (48b) mündet. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 1, aufweisend zumindest ein weiteres Kanalsegment (48c-e) und zumindest einen weiteren Ansaugtrichter (36c-e), wobei das weitere Kanalsegment (48c-e) in der Absaugrichtung (38) hinter dem ersten Kanalsegment (48a) und dem zweiten Kanalsegment (48b) an dem Absaugkanal (34) angeordnet oder ausgebildet ist; wobei der weitere Ansaugtrichter (36c-e) und das sich in Absaugrichtung (38) vor dem weiteren Kanalsegment (48c-e) befindende Kanalsegment (48b-d) in das weitere Kanalsegment (48c-e) mündet. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Kanalsegment (48a) in das zweite Kanalsegment (48b) ragt. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 3, wobei mehrere, insbesondere alle, Kanalsegmente (48a-e) in das dem jeweiligen Kanalsegment (48a-e) in Absaugrichtung (38) nachfolgende Kanalsegment (48b-e) ragen. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mündungsquerschnitte (50a-e) in Absaugrichtung (38) des Absaugkanals (34) eine sich verringernde Strömungsquerschnittsfläche aufweisen. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Mündungsquerschnitt (50a-e) als Kreissektor oder als Kreisringsektor ausgebildet ist. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Kanalsegment (48a) den zweiten Ansaugtrichter (36b) begrenzt. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansaugtrichter (36a-e) entlang einer Kanallängsachse (40) jeweils durch zwei Segmentwandungen (42) begrenzt werden, wobei die Segmentwandungen (42) insbesondere orthogonal zu der Kanallängsachse (40) ausgebildet sind. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 8, wobei die
Segmentwandungen (42) kreissektorartig oder kreisringsektorartig ausgebildet sind. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansaugtrichter (36a-e) jeweils eine erste Trichterwand (44a) und eine zweite Trichterwand (44b) aufweisen, wobei die Trichterwände (44a, b) einen Trichterwinkel (46) ausbilden. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 10, wobei der Trichterwinkel (46) zwischen 30° und 270°, vorzugsweise zwischen 45° und 135°, besonders bevorzugt zwischen 80° und 100°, beträgt. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die zumindest zwei Ansaugtrichter (36a-e) gemeinsame Trichterwände (44a, b) aufweisen. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Ansaugtrichter (36a, b), insbesondere alle Ansaugtrichter (36a-e), zylindersektorartig oder hohlzylindersektorartig ausgebildet sind. Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei Ansaugtrichter (36a-e) entlang der Kanallängsachse (40) die gleiche Erstreckung aufweisen. Additive Fertigungsvorrichtung (10) mit einer Absaugvorrichtung (12) zum Absaugen von Prozessgasen aus einer Prozesskammer (14) der additiven Fertigungsvorrichtung (10), aufweisend zumindest eine an der Absaugvorrichtung (12) angeordnete Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Additive Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 15, aufweisend eine Beschichtereinheit (22) zum Verteilen von Prozesspulver in einer Arbeitsebene (20) der additiven Fertigungsvorrichtung (10), wobei die zumindest eine Ansaugeinheit (26; 26a, 26b) an der Beschichtereinheit (22) angeordnet oder ausgebildet ist und dazu ausgebildet ist, einer Bewegung entlang einer Bewegungsachse (24) der Beschichtereinheit (22) zu folgen. Additive Fertigungsvorrichtung (10) nach Anspruch 16, aufweisend zumindest zwei Ansaugeinheiten (26; 26a, 26b) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine erste Ansaugeinheit (26a) an der Beschichtereinheit (22) entlang der Bewegungsachse (24) der Beschichtereinheit (22) vorgelagert angeordnet oder ausgebildet ist und eine zweite Ansaugeinheit (26b) der Beschichtereinheit (22) entlang der Bewegungsachse (24) der Beschichtereinheit (22) nachgelagert angeordnet oder ausgebildet ist. Additive Fertigungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 16 oder 17 in Verbindung mit einer Ansaugeinheit (26; 26a, b) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei eine Trichterwand (44a, b) von zumindest einem Ansaugtrichter (36a-e) parallel zur Arbeitsebene (20) der additiven Fertigungsvorrichtung (10) ausgebildet ist.
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