WO2023104670A1 - Partikelabscheider für eine additive fertigungsvorrichtung - Google Patents

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WO2023104670A1
WO2023104670A1 PCT/EP2022/084302 EP2022084302W WO2023104670A1 WO 2023104670 A1 WO2023104670 A1 WO 2023104670A1 EP 2022084302 W EP2022084302 W EP 2022084302W WO 2023104670 A1 WO2023104670 A1 WO 2023104670A1
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process gas
particle separator
particle
flow
additive manufacturing
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PCT/EP2022/084302
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Ulrich Kleinhans
Christoph Schmutzler
Marbod Kindermann
Peter Hofbauer
Sebastian MEHL
Maximilian KRAATZ
Armin WITTE
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Eos Gmbh Electro Optical Systems
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    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces

Definitions

  • the invention relates to a particle separator for an additive manufacturing device for separating a coarse particle fraction from a process gas of an additive manufacturing device flowing through the particle separator during operation, a particle separator system and an additive manufacturing system with such a particle separator, as well as a process gas cleaning method for cleaning process gas and a method for controlling additive manufacturing .
  • additive manufacturing manufacturing products or components are built up by adding material, usually on the basis of digital 3D design data.
  • the additive manufacturing process typically proceeds in such a way that thin layers of a mostly powder-form building material are repeatedly applied one on top of the other, with the individual layers being selectively solidified at certain points by locally limited exposure to an energy input source, e.g. using light and/or heat radiation. which, after manufacture, are part of an object to be manufactured.
  • an energy input source e.g. using light and/or heat radiation.
  • Well-known examples of additive manufacturing processes based on irradiation are "selective laser sintering" or “selective laser melting” or “laser powder bed fusion". In these methods, powder grains of the building material are partially or completely melted by means of energy introduced locally at certain points by radiation, with a molten pool being formed. After cooling, these powder grains are then connected to one another in the form of a solid.
  • a process environment of an additive manufacturing device in which the objects are built up is continuously exposed to a process gas during operation, e.g. for cooling purposes or to remove impurities from the process environment and/or to remove oxygen from the melt or heat-affected zone.
  • contaminants which are also referred to below as contamination particles or particles for short and which can have a negative effect on component quality, occur particularly in the area of energy input into the construction material, e.g. in the zone of influence of a laser beam that is directed onto the powdery construction material or in the area of a melt pool.
  • a directed stream of process gas or a process gas stream usually flows or flows over the build-up material of a layer to be irradiated. Due to the local effect of energy from an energy input source, eg a laser, part of the liquefied build-up material can be ejected from the melt pool and enter the process gas stream. The ejected fraction of the weld pool can solidify again in the process gas, forming particles with a diameter of several tens or even several hundred micrometers, which are also referred to as spatter or "spatter".
  • unsolidified or unirradiated building material can also enter the process gas during operation of an additive manufacturing device.
  • unsolidified powder particles of the construction material can be whirled up and escape from a layer of the construction material ("cold spatter").
  • the local effect of energy on a layer of the building material can result in part of the building material evaporating and being ejected from the molten pool.
  • the building material vaporized in this way can enter the process gas flow in the gaseous state, condense there and assume the form of a solid again.
  • These condensed metal vapors can aggregate and, depending on the operating parameters of additive manufacturing, form agglomerates of different sizes in the process gas, with the diameter of an agglomerate being less than 100 nanometers, for example.
  • the condensed metal vapors and any agglomerates that may have formed in the process gas are summarized below under the terms “metal condensates” or “condensate particles”, with metal condensates being a type of impurity particle.
  • the metal condensates which are also referred to as welding fumes, as well as other contamination particles such as spatter or unsolidified build-up material can be removed from the process environment by the directed process gas flow.
  • the process gas discharged from the process environment eg a process chamber of an additive manufacturing device, can be cleaned in a filter device before it is fed back into the process chamber. This can counteract a creeping contamination of the process chamber and other components of the additive manufacturing device.
  • the process gas is usually comprehensively filtered such that as many foreign substances as possible are removed from the process gas, with the separated particles then being present, for example, in the form of a filter cake and having to be disposed of. Consequently, with this type of process gas purification, a significant amount of unsolidified building material that is carried along in the process gas can be lost without being used.
  • Such “fine particles” often have the tendency to adhere at least temporarily to flow-guiding surfaces of the separating devices when flowing through a separating device. This can result in disadvantages when using known separating devices in additive manufacturing, especially when processing metal powders, some of which are highly reactive. For example, when adhering fine particles suddenly come into contact with oxygen, undesired oxidation can occur, with the particles being easily ignitable or self-igniting depending on their nature. In the event of spontaneous detachment of the adhering fine particles, an explosive atmosphere can form in the separating device. There may be a risk of a dust explosion when cleaning off the buildup. Furthermore, there may be a risk that the adhering fine particles may unintentionally come into contact with cleaned and/or recyclable powder fractions and contaminate them and/or cause the recyclable construction material to ignite.
  • This object is achieved by a particle separator according to claim 1, a particle separation system according to claim 14, an additive manufacturing system according to claim 15, a process gas cleaning method according to claim 16 and a method according to claim 17.
  • a particle separator according to the invention is designed to interact during operation with an additive manufacturing device such that a specific coarse particle fraction is separated from a process gas of the additive manufacturing device, which process gas flows through the particle separator during operation, in particular is separated therefrom.
  • the process gas that exits the additive manufacturing device and/or enters the particle separator can, as initially described, contain a number of particles of different sizes.
  • the particles or contaminant particles are, in particular, impurities in the process gas that have arisen, for example, as a by-product of additive manufacturing.
  • a “coarse particle fraction” can be defined in particular via a certain “limit grain diameter” of particles carried along in the process gas.
  • a “limit grain diameter” denotes a diameter of certain particles whose degree of separation or separation ratio by the particle separator during operation is approximately 50%.
  • the separation rate refers to the quantity of the relevant particles in the process gas when the process gas enters the particle separator or when it exits the particle separator. In other words, about half of the particles, the diameter of which corresponds approximately to a specific particle size limit, can be separated out of the process gas stream via the particle separator during operation.
  • a respective limit grain diameter is a size that can depend at least on the structural design and the operating parameters of the particle separator. This means that the particle separator can be designed, in particular designed, to achieve a specific particle size limit during operation, i.e. to separate at least 50% of particles from a defined size, depending on a selected particle size limit, from the process gas.
  • a coarse particle fraction can preferably be defined in such a way that, during operation, a limit particle diameter is at least 1 micron. rometer (pm) and/or above that a limit grain diameter is at most 20 pm. This will be described in more detail later.
  • the particle separator can preferably be designed in such a way that, during operation, the highest possible selectivity is achieved when separating the coarse particle fraction.
  • the selectivity can preferably be defined in such a way and/or the particle separator can be implemented in such a way that, based on a specific particle size limit, at least 90% of the particles, preferably at least 95% of the particles, preferably at least 99% of the particles, in particular essentially all particles that are separated from the process gas by the particle separator, which are assigned to the coarse particle fraction.
  • the particle separator can in particular be an inertial force separator or can work on the principle of an inertial force separator.
  • the particle separator can be a gravity separator, an inertial separator or a centrifugal separator and/or can work according to the respective principle.
  • the particle separator includes a main flow guide body for process gas.
  • the main flow guide body can also be referred to as a main rotation body or turbulence chamber. Irrespective of the specific configuration, the main flow guide body is designed to separate a coarse particle fraction from the process gas when the process gas flows through it as intended.
  • the particle separator has an inlet element which is designed to introduce the process gas emerging from an additive manufacturing device into the main flow guide body, preferably in a directed manner.
  • the inlet element can be connected to the main flow guide body on one side and to the additive manufacturing device and/or to a process gas supply on another side, e.g. with corresponding pipelines for process gas.
  • the particle separator also has an outlet element for process gas, which is designed to discharge the process gas from the main flow guide body, preferably in a directed manner, after it has flowed through the main flow guide body as intended.
  • the process gas in particular comprising a fine particle fraction, can exit the particle separator via the outlet element and/or be fed to a filter device.
  • the particle separator preferably comprises an outlet element for a coarse particle fraction, which is designed to discharge the coarse particle fraction separated in the main flow guide body from the main flow guide body.
  • the outlet element can be part of the main flow guide or can be formed separately and, preferably firmly, connected to the main flow guide.
  • the outlet element can preferably be connected to a collection container, as will be described later.
  • the outlet element can be part of a conical area of the particle separator and/or can be connected to a conical area of the particle separator.
  • the conical area of the particle separator can preferably connect to an essentially cylindrical or rotationally symmetrical area of the main flow guide body, in particular to a turbulence chamber of the main flow guide body.
  • the conical area is preferably designed to be rotationally symmetrical. More preferably, the conical area can be part of the main flow guide body of the particle separator.
  • Such a conical area with an outlet element can be provided, for example, in a centrifugal separator or cyclone separator, in particular in a cyclone with reversal of the axial flow (countercurrent cyclone).
  • the conical area can be dispensed with, although preferably at least one outlet element is provided for discharging the coarse particle fraction from the main flow guide body.
  • the particle separator is a reverse axial flow cyclone separator with a conical section and an outlet element arranged thereon, since special advantages can result from this.
  • the particle separator (regardless of the specific embodiment—comprises at least one adhesion-reducing element.
  • An adhesion-reducing element is designed in particular to reduce the number of particles of a fine particle fraction entrained in the process gas, which adhere to a flowed, in particular a flow-guiding, surface of the particle separator during operation, in particular compared to a particle separator without an adhesion-reducing element.
  • An adhesion-reducing or adhesion-reducing element can have at least one temperature control element, which is designed to enclose at least one associated partial area of a housing wall of the particle separator, which partial area during operation process gas flows through it at least at times, in particular a flow-guiding partial area of the housing wall.
  • the temperature-controlled sub-area of the housing wall can be defined in particular by the fact that the sub-area is acted upon at least temporarily by process gas during operation. “Tempering” is preferably understood to mean that a certain temperature gradient between the process gas and the particle separator is reached in the temperature-controlled sub-area during operation and/or a certain temperature is reached during operation of the particle separator and/or is kept as constant as possible.
  • an adhesion-reducing element can have at least one element for guiding the flow.
  • a flow guidance element is designed to introduce the process gas of an additive manufacturing device in the form of at least two partial flows, preferably at least partially spatially separated from one another, into the preferably essentially cylindrical main flow guide body.
  • the particle separator according to the invention can be used to separate a coarse particle fraction from the process gas in order to recover a usable powder fraction, with the adhesion-reducing element minimizing or preventing fine particles from a fine particle fraction of the process gas from adhering to the surfaces of the particle separator exposed to the flow, in particular to the flow-guiding or flow-conducting surfaces can.
  • the particle separator can also be referred to as a pre-separator, coarse particle separator or separating device.
  • the coarse particle separator is designed to separate the coarse particle fraction, with the fine particle fraction of the process gas being able to be kept essentially completely in the process gas as it flows through the particle separator, with the fine particle fraction preferably being able to be removed from the process gas via a downstream filter device or process gas treatment.
  • the particle separator is specially designed to interact with an additive manufacturing device, with an additive manufacturing device making particular technical demands on the particle separator during operation.
  • the pressure losses when flowing through the particle separator should be as low as possible in order to avoid damage to the additive manufacturing device.
  • the design of the particle separator must be specially adapted to an additive manufacturing device or Production machine be adapted, for example, a flow rate of process gas when entering the main flow guide is comparatively low and / or a diameter of the main flow guide is comparatively large (compared to known separation devices).
  • a means can be provided by an adhesion-reducing element to reduce a tendency and/or an ability of particles of a fine particle fraction to adhere to a certain extent during operation.
  • the “fine particle fraction” or fine particles are the (fine) particles in the process gas whose diameter is less than 1 ⁇ m.
  • a temperature gradient or a temperature difference between the process gas of an additive manufacturing device and a flow-carrying housing wall of the particle separator can be reduced via a temperature control element during operation, whereby e.g. the effect of thermophoresis, which particularly affects the fine particle fraction, can be significantly reduced compared to non-temperature-controlled separating devices.
  • a temperature control element during operation, whereby e.g. the effect of thermophoresis, which particularly affects the fine particle fraction, can be significantly reduced compared to non-temperature-controlled separating devices.
  • adhesions of the fine particle fraction on surfaces of the particle separator can be significantly reduced or even completely avoided compared to known separator devices.
  • Adherence of fine particles can advantageously be at least reduced by the temperature control element even without active heating of the particle separator.
  • the process gas emerging from an additive manufacturing machine can be directed into the particle separator and/or guided through it in a targeted manner in such a way that as far as possible all areas of the particle separator subjected to a flow are subjected to a flow of process gas during operation, e.g. with a sufficiently strong flow Process gas flow that adhesions of the fine particle fraction are reduced or avoided.
  • the flow guiding element can be designed in such a way that in the areas of the particle separator subjected to the flow of process gas, there is a certain minimum wall shear stress in order to reduce or avoid adhesion of the fine particle fraction. This also makes it possible to at least partially reduce or avoid the disadvantages mentioned at the outset.
  • Particular advantages of the invention can result in a particle separator with a combination of at least one temperature control element and one flow guiding element, since the advantageous effects of the two features can complement each other synergistically.
  • a particle separation system comprises at least one particle separator according to the invention. Furthermore, the particle separation system can have at least one collection container for a coarse particle fraction of a process gas. The coarse particle fraction was separated from a process gas of an additive manufacturing machine, which process gas flows through the particle separator during operation as intended.
  • the collection container or collecting container is assigned to the particle separator at least temporarily, in particular for receiving the separated coarse particle fraction.
  • the receptacle can have a controllable closure mechanism to the environment.
  • the collection container can preferably have a coupling point for a conveyor module, with a reversible connection being able to be established with a conveyor module via the coupling point, in particular for transferring a coarse particle fraction from the collection container into the conveyor module.
  • the particle separation system can have a delivery module that is at least temporarily assigned to the particle separator.
  • the conveyor module and/or the particle separation system in particular a collection container of the particle separation system, can be designed and/or interact in such a way to remove a coarse particle fraction from a collection container of the particle separation system, preferably during operation of the particle separator.
  • the conveyor module can preferably have a coupling point which can interact with the coupling point of the collection container to form a reversible connection.
  • the conveyor module is preferably designed to be controllable in such a way that the reversible connection to the collection container, in particular the removal of the coarse particle fraction from the collection container, is carried out in an automated process, i.e. without direct manual intervention.
  • the separated coarse particle fraction can be removed manually from the collection container, preferably by suction, in particular during a break in operation of the particle separator.
  • An additive manufacturing system comprises at least one additive manufacturing device for manufacturing at least one component layer of at least one component or manufacturing product in an additive manufacturing process.
  • the additive manufacturing device has at least one feed device for introducing at least one layer of a construction material into a process space or a process chamber, an irradiation unit for selectively solidifying the construction material of the layer by irradiating at least a partial area of the layer using the irradiation unit, a control unit for controlling the device and a process gas discharge device.
  • the process gas discharge device preferably comprises at least one filter device or process gas treatment known from additive manufacturing processes for cleaning the process gas, in particular for treating process gas for reuse in the additive manufacturing device, eg a circulating air filter system with a number of filter elements.
  • the process gas discharge device can, for example, have fans and/or flow-guiding means in order to generate a directed process gas flow in the process space.
  • the process gas discharge device can preferably have lines for the process gas in order to transport the process gas between the filter device and/or the additive manufacturing device and/or a particle separator.
  • the process gas discharge device can also be designed to introduce cleaned process gas by means of the filter device into the process space.
  • the process gas discharge device can also be at least partially spatially separate from the additive manufacturing device.
  • the additive manufacturing system also has at least one particle separator according to the invention, in particular at least one particle separation system according to the invention.
  • a process gas cleaning method according to the invention for cleaning process gas of at least one additive manufacturing device, in particular process gas that is enriched with (pollution) particles during additive manufacturing or during operation of the additive manufacturing device, is carried out in such a way that at least part of the process gas is separated a coarse particle fraction from the process gas is fed to a particle separator, in particular a particle separator according to the invention and/or a particle separator system according to the invention.
  • the method is preferably carried out in such a way that at least a partial area of a housing wall of the particle separator through which process gas flows is temperature-controlled.
  • at least one partial area through which process gas flows can be temperature-controlled by means of an adhesion-reducing element of the particle separator comprising at least one temperature-control element.
  • the process gas with at least two partial flows in one preferably substantially be introduced into the cylindrical main flow guide body of the particle separator.
  • the process gas can preferably be introduced into the main flow guide body via an adhesion-reducing element of the particle separator comprising at least one element for guiding the flow with at least two partial flows.
  • a coarse particle fraction separated from the process gas can be recirculated in the method, preferably for use in an additive manufacturing device.
  • the separated coarse particle fraction can be used at least partially as a building material in the same additive manufacturing process from which the process gas cleaned by means of the process gas cleaning method originates.
  • At least part of the process gas of the additive manufacturing device can optionally be fed to a filter device for processing, preferably after flowing through the particle separator. It is also possible for part of the process gas of the additive manufacturing device to be fed directly to the filter device for processing.
  • the filter device can preferably be designed to prepare the supplied process gas for reuse in the additive manufacturing device.
  • the filter device can preferably be part of an additive manufacturing system according to the invention as described above.
  • a method according to the invention for controlling an additive manufacturing of at least one component layer of at least one component in a manufacturing process in which at least one layer of a construction material is introduced into a process space of an additive manufacturing device and the construction material of the layer is selectively irradiated by irradiating at least a partial region of the layer using an irradiation unit is solidified is carried out in such a way that at least part of a process gas from additive manufacturing, in particular process gas which is enriched with (pollution) particles during additive manufacturing or during operation of the additive manufacturing device, is cleaned in accordance with a process gas cleaning method according to the invention.
  • a process gas from additive manufacturing can be fed to a particle separator according to the invention in order to separate a coarse particle fraction from the process gas via the particle separator.
  • the described method for controlling additive manufacturing can in particular be used to control an additive manufacturing device and/or an additive manufacturing system be formed, with the individual method steps then being carried out via the manufacturing device or the manufacturing system.
  • the particle separation system, the additive manufacturing system, the process gas cleaning method and the method for controlling the additive manufacturing are advantageously based on a particle separator according to the invention, so that the advantageous effects described for the particle separator also result for these systems or for the methods.
  • the particles entrained in the process gas stream can have a specific size distribution, with the size distribution preferably having specific quantiles. Accordingly, the particle separator can be designed in such a way that, during operation, a limit particle diameter is smaller than the 10th percentile of the particle size (also referred to as d10) of a coarse particle fraction to be separated and/or is larger than the 90th percentile of the particle size (also referred to as d90) a fine particle fraction in the process gas.
  • a coarse particle fraction of the process gas can preferably be defined such that a particle size limit during operation of the particle separator is at least approximately 1 ⁇ m, preferably at least approximately 3 ⁇ m, particularly preferably at least approximately 4 ⁇ m, in particular approximately 5 ⁇ m.
  • a limit grain diameter can preferably be at most about 20 ⁇ m, preferably at most about 15 ⁇ m, more preferably at most about 10 ⁇ m, particularly preferably at most about 8 ⁇ m, in particular at most about 7 ⁇ m.
  • the diameters mentioned can preferably each be an “aerodynamically equivalent diameter” of particles.
  • the particle separator can be modeled, preferably taking into account an "aerodynamically equivalent lenten diameter” of a respective particle.
  • the "aerodynamically equivalent diameter" of a specific particle is defined in such a way that this particle behaves approximately the same as an associated (ideally) spherical particle when flowing through the particle separator; in particular to a powder particle with a certain diameter and a certain density.
  • a particle with an aerodynamically equivalent diameter of 5 ⁇ m can have a comparable flow behavior in the particle separator as an (ideally) spherical particle with a diameter of 5 ⁇ m.
  • a certain limit grain diameter can preferably be defined by an associated aerodynamically equivalent diameter.
  • the particle separator can be designed to separate particles during operation to achieve a specific particle size limit, which have an aerodynamically equivalent diameter (as particle size limit) of at least about 1 ⁇ m and/or at most about 20 ⁇ m and/or one of the values described above .
  • a fine particle fraction of the process gas can preferably be defined such that a diameter of a respective (fine) particle, in particular a “primary particle”, is less than about 1000 nm, preferably less than about 500 nm, preferably less than about 200 nm, more preferably less than about 100 nm, more preferably less than about 50 nm, more preferably less than about 25 nm, more preferably less than about 10 nm, especially 5 nm or less.
  • the diameters mentioned can preferably each be an “aerodynamically equivalent diameter” of particles.
  • the (fine) particles of the fine particle fraction can arise in particular in that the building material is brought to the evaporation temperature in the manufacturing process and at least partially evaporates.
  • the metal vapor can condense in particular in the process gas stream and in a smaller amount on a process chamber wall or within a process gas line, with the (metal) condensate solidifying and being able to at least partially agglomerate.
  • These metal condensates or condensate particles are typically components of the so-called laser welding fumes.
  • metal condensates can agglomerate into larger particles. It is therefore preferred that the aforementioned diameters of the (fine) particles refer to "primary particles".
  • the “primary particles” are metal condensate particles kel in the process gas as soon as the respective particle has reached a solid state, i.e. in particular before a possible agglomeration.
  • the fine particle fraction of the process gas can be defined by a certain (mass) density of the particles.
  • a density of the fine particle fraction, in particular of the agglomerates, can preferably be significantly lower than a density of the powder particles of the building material.
  • the fine particle fraction of the process gas or the fine particles can be defined via a specific Stokes number (Sf).
  • the fine particles in particular a respective condensate particle, with a density of about 100 (kg*m -3 ) and a particle size or a diameter of about 1*10' 9 (m) under typical working conditions of the (particle) separator have a Stokes number of about 1.09* 10'9 .
  • the respective fine particles can preferably have a Stokes number of about 2.18*10' 9 , preferably with a diameter of about 5*10' 9 (m ) have a Stokes number of about 5.50*10' 9 .
  • the respective fine particles can preferably have a Stokes number of about 2.28*10' 8 , preferably with a diameter of about 2*10' 7 (m ) a Stokes number of about 3.63*10' 7 , more preferably with a diameter of 5*10' 7 (m) a Stokes number of about 1.59*10' 6 , in particular with a diameter of about 1* 10' 6 have a Stokes number of about 5.51 *10' 6 .
  • a steel powder as a building material with a density of about 8030 (kg*m' 3 ) with a particle size of about 1*10' 6 (m) and under typical working conditions of the (particle) separator can have a Stokes number of about 4.42* 10'4 have.
  • the (-same) construction material under typical working conditions of the (particle) separator with a particle size of about 2*10' 6 (m) has a Stokes number of about 1, 64*10' 3 , preferably with a diameter of about 1*10' 5 (m) a Stokes number of about 3.83*10' 2 , particularly preferably with a diameter of about 5*10' 5 (m) a Stokes number of about 9.44*10' 1 , in particular with a diameter of about 1*10' 4 have a Stokes number of about 3.77*10°.
  • a fine particle fraction can preferably be defined by an aerodynamically equivalent diameter of the particles contained in each case.
  • the fine particle fraction can include those fine particles which, during operation of the particle separator, show essentially the same flow behavior as (ideally) spherical particles, in particular powder particles, with a diameter of less than about 1000 nm, preferably less than about 500 nm, preferably less than about 200 nm, more preferably less than about 100 nm, more preferably less than about 50 nm, more preferably less than about 25 nm, more preferably less than about 10 nm, especially 5 nm or less.
  • the temperature control element can have at least one insulating element for thermally insulating at least the associated temperature-controlled partial area of the housing wall of the particle separator.
  • the partial area of the housing wall can be thermally insulated or insulated by the insulating element from an external environment of the housing wall or the particle separator.
  • a wall of the particle separator is referred to as the housing wall, over which a base body of the particle separator is formed, in particular the inlet element, the main flow guide body and the outlet element, and possibly other elements, such as the outlet element.
  • the temperature control element can preferably be designed to temperature control two or more, also spatially separate, partial areas of the housing wall. Preferably, at least two partial areas of the housing wall can be tempered to different temperatures.
  • the tempering element can preferably comprise two or more, also separate, insulating elements. A specific partial area for temperature control can preferably be assigned to a respective insulation element.
  • the (respective) insulation element is preferably designed in such a way that during operation of the particle separator, a surface temperature of an inner housing wall at least in the temperature-controlled sub-area is a maximum of 5 °C, preferably a maximum of 4 °C, preferably a maximum of 3 °C, particularly preferably a maximum of 2 °C, in particular a maximum 1 °C or less, is lower than a process gas temperature of the process gas flowing past and/or is lower than a temperature of the fine particle fraction in the process gas.
  • the insulation element can, for example, an EPDM foam, a felt, a polyester fleece, glass wool, rock wool, hemp fibers, flax fibers, wood wool, sheep's wool (or mats made of these materials), synthetic fiber mats, plastic foams, mineral Have foams and / or mixtures thereof.
  • the insulating element can be arranged on the housing wall from the outside in order to temper a specific partial area, in particular an inner housing wall.
  • the temperature control element in particular the insulation element and/or a heating element, can preferably be designed and/or arranged in such a way that the at least one temperature-controlled partial area of the housing wall is arranged essentially orthogonally or normal to a main axis of rotation of process gas during operation in the particle separator, in particular in relation to a main axis of rotation of process gas in the main flow guide body and/or in the outlet element.
  • the at least one temperature-controlled partial area can be arranged essentially parallel to a centrifugal force vector, which centrifugal force vector emanates essentially orthogonally from the main axis of rotation of the process gas or points normally away from it.
  • the “main axis of rotation” is understood to mean an imaginary axis around which the process gas rotates during operation, i.e. when flowing through the particle separator as intended, according to a main flow direction of the process gas, in particular when flowing through the main flow guide body and/or the outlet element.
  • the main flow direction corresponds to an average flow direction of process gas in the particle separator, whereby the average flow can remain largely constant even in the event of any superimposed fluctuations (turbulence) and/or any periodic disturbances that may occur (e.g. "precessing vortex core").
  • the particle-laden process gas can enter the particle separator via the inlet element and can then move on an approximately helical path through the particle separator, in particular through the main flow guide body, to separate the coarse particle fraction.
  • the process gas flow preferably rotates about the main axis of rotation due to the helical flow movement.
  • the process gas can be forced inwards towards the main axis of rotation by an optional conical area or a separating cone, whereby the axial component of the helical flow is changed so that the process gas flows in the direction of the outlet element.
  • the process gas could also be discharged from the main flow guide body without flow reversal.
  • the separated coarse particle fraction can be Outlet element, which is connected, for example, to the separating cone, and an adjoining collection container are discharged.
  • the term "essentially orthogonal" to the main axis of rotation is to be understood in such a way that the at least one temperature-controlled sub-area, in particular an area on which or along which a process gas flow is directed at least temporarily during operation, is also arranged tilted at a certain angle relative to the main axis of rotation can be.
  • the temperature-controlled partial area can be inclined at an angle of at most approximately 20°, preferably at most approximately 10°, preferably at most approximately 5° or less with respect to the main axis of rotation.
  • the temperature-controlled sub-area could be essentially parallel to a process gas feed into the particle separator during operation, e.g. predominantly parallel to corresponding feed lines and/or predominantly parallel to the inlet element.
  • the occurrence of adhesions can be reduced or avoided in the most efficient manner possible by controlling the temperature of specific partial areas of the housing wall.
  • those sections of the particle separator can be temperature-controlled in a targeted manner which, e.g. due to the flow characteristics in the particle separator, are particularly susceptible to the adhesion of fine particles, also referred to as "critical areas".
  • Critical areas are in particular those areas of the inner housing wall in which a comparatively low flow rate of process gas and/or a comparatively low wall shear stress is present when the particle separator is flown through as intended (compared to other areas of the housing wall).
  • Such critical areas are in particular surfaces that are normal to the main axis of rotation of the process gas, since these surfaces are relatively unaffected by the centrifugal force that emanates normal from the main axis of rotation during operation, so that the process gas and/or the fine particles with less kinetic energy hit these areas, which can promote sticking. Consequently, temperature control of the critical areas can lead to a significant reduction in adhesions, with other surfaces of the housing wall that lie outside a temperature-controlled sub-area remaining unheated or having no temperature control element.
  • the tempering element can be designed in several parts.
  • the temperature control element can have a number of insulation elements and/or a number of heating elements.
  • At least one temperature-controlled partial area of the main flow guide body can be arranged essentially orthogonally or normal to a main axis of rotation of process gas in the main flow guide body.
  • Particularly preferably, predominantly all (partial) areas of the main flow guide body that are essentially orthogonal to a main axis of rotation of process gas in the main flow guide body during operation can be temperature-controlled by means of at least one temperature control element.
  • At least one temperature-controlled partial area of the outlet element can be arranged essentially orthogonally to a main axis of rotation of process gas in the outlet element.
  • the main axis of rotation of the process gas in the outlet element preferably corresponds to the main axis of rotation of the process gas in the main flow guide body.
  • Particularly preferably, predominantly all (partial) areas of the outlet element that are essentially orthogonal to a main axis of rotation of process gas in the outlet element during operation can be tempered by means of at least one temperature control element.
  • the temperature-controlled areas can be limited to the critical areas, which has advantages during assembly, maintenance and inspection of the temperature control elements and in terms of costs.
  • the targeted temperature control of only the critical areas of the particle separator is preferably a “minimum temperature control”, with other areas optionally being able to be temperature controlled, as will be described later.
  • a temperature control element in the form of an insulation element there is the additional advantage that the insulation material in particular can be obtained cheaply and is easy to assemble.
  • a countercurrent cyclone can be used to separate the coarse particle fraction from the process gas, with this type of separating device being relatively robust and inexpensive to operate.
  • a centrifugal separator it is fundamentally possible for the centrifugal separator or its longitudinal extent to be arranged tilted relative to the perpendicular direction during operation. In extreme cases, the centrifugal separator (co-current or counter-current cyclone) could also be arranged approximately orthogonally to the vertical direction.
  • the at least one temperature-controlled partial area is then also arranged essentially normal to a main axis of rotation of process gas in the particle separator, in which case the main axis of rotation can then also be tilted (significantly) with respect to the vertical direction.
  • the invention is described below--without being restricted thereto--on the basis of a countercurrent cyclone that is standing or arranged in the vertical direction, since this can bring advantages in operation.
  • the axial component of the process gas flow after entering the main flow guide body is essentially parallel to the vertical direction or points downwards in the vertical direction, with the coarse particle fraction being directed primarily by gravity in the direction of the outlet element, in particular in the direction of the collection or good grain container is transported.
  • a parallel connection and/or a series connection of two or more particle separators is also possible within the scope of the invention.
  • a particle separation system or an additive manufacturing system can have one or more parallel connections and/or one or more series connections of at least two particle separators each.
  • a respective parallel or series connection can include a number of particle separators that work according to the same principle.
  • different types of particle separators can also be connected in series or in parallel, e.g. a gravity separator, an inertial separator and a centrifugal separator.
  • the main flow guide bodies of the respective mass force separators can be arranged in the form of a series connection or in the form of a parallel connection.
  • Those (partial) regions of the outlet element which lie essentially parallel to the main axis of rotation of process gas in the outlet element during operation can preferably also be tempered by means of at least one temperature control element.
  • the outlet element can be implemented at least in sections in the manner of a cylinder, with an inner cylindrical surface of the outlet element being able to be temperature-controlled at least partially, in particular essentially completely, via an assigned temperature control element.
  • a housing wall of the lass elements which forms a substantially cylindrical base body and a cover of the outlet element, which cover is preferably arranged substantially orthogonally to the main axis of rotation of process gas, be predominantly completely temperature-controlled.
  • a homogeneous temperature control of the housing wall can be achieved by continuous insulation of the critical areas of the main flow guide body and the outlet element as well as the cylinder jacket surface of the outlet element, whereby an undesired cooling of the critical areas can be prevented, e.g. due to unheated sub-areas and heat conduction.
  • some or all (partial) areas of the main flow guide body which are essentially parallel to the main axis of rotation of process gas in the main flow guide body during operation, can be temperature-controlled by means of at least one temperature control element.
  • at least the part of the housing wall that forms an essentially rotationally symmetrical area of the main flow guide body, in particular a turbulence chamber could have a temperature control element.
  • the temperature control element can have at least one controllable heating element.
  • the heating element is preferably designed to warm up or heat at least the associated temperature-controlled partial area of the housing wall of the particle separator for temperature control to a specific target temperature, in particular actively, during operation.
  • an inner housing wall can be actively heated to a target temperature in the tempered sub-area.
  • An “active temperature control” of at least one partial area of the housing wall can thus take place by means of the heating element.
  • the heating element is preferably part of the temperature control element, with the heating element preferably being designed and/or arranged such that the at least one heated partial area of the housing wall is essentially orthogonal to a main axis of rotation of process gas in the particle separator, in particular in relation to a main axis of rotation of process gas in the main flow guide body and/or in the outlet element. It is also possible that essentially all areas of the main flow guide body and/or the outlet element, which during operation are arranged essentially orthogonally to a main axis of rotation of process gas in the particle separator, are heated by means of at least one heating element.
  • the temperature control element can preferably have two or more heating elements to be operated separately.
  • At least one heating element is preferably assigned to a respective partial area to be temperature-controlled. However, it is also possible for several separate heating elements to be assigned to a partial area.
  • a heating element can include a heating foil, for example, which is applied to a housing wall from the outside in order to heat a specific partial area of an internal housing wall.
  • the heating elements can be controlled by an associated control unit, for example by a control unit of an additive manufacturing machine.
  • the (respective) heating element can preferably be designed to warm up or heat at least the one temperature-controlled partial area of the housing wall of the particle separator in such a way that a surface temperature of the inner housing wall in the heated partial area is at least 1 °C, preferably at least 3 °C at least 5°C, more preferably at least 8°C, more preferably at least 9°C, in particular at least 10°C, and/or at most 35°C, preferably at most 25°C, preferably at most 20°C, more preferably at most 18° C, more preferably at most 16 °C, in particular at most 15 °C, higher than a process gas temperature of the process gas flowing along the partial area and/or higher than a temperature of the fine particles in the process gas.
  • a typical process gas temperature when it enters the particle separator could be around 50°C.
  • a (temperature-controlled) sub-area could then be heated in such a way that the inner housing wall in this area has a temperature of at least 50 °C and/or at most 85 °C, preferably a temperature of at most 65 °C, preferably a temperature of around 60 °C C
  • the adhesion of fine particles in the particle separator can be further reduced or completely avoided by actively heating surfaces of the housing wall, particularly in critical areas.
  • a deposit of fine particles can be largely avoided even with unfavorable operating parameters, for example with low flow rates of process gas in the particle separator, with the effect of thermophoresis being able to be weakened in particular.
  • the effect of thermophoresis can even be reversed by actively heating the housing wall.
  • This advantageous effect can already be achieved by moderate heating of the housing wall, for example by 5 °C to 15 °C above the process gas temperature, with the energy consumption is reasonable and the additive manufacturing device is not heated in a damaging manner.
  • a particular advantage can result from a temperature control element that includes a combination of at least one insulating element and at least one heating element.
  • An insulation element and a heating element can preferably be assigned to the same temperature-controlled sub-area at the same time.
  • the heating element can be integrated into the insulating element. Then the heating element could only be switched on when required, e.g. if the beginning of adhesion is detected, which can have an advantageous effect on energy consumption.
  • a particularly homogeneous temperature control or heating of a temperature-controlled partial area can take place.
  • an insulating element to be assigned to a first partial area and a heating element to be assigned to another, second partial area.
  • a combination of the described embodiments is also possible.
  • the tempering element itself can be designed in one piece or in several pieces.
  • the temperature control element can preferably have several interacting partial temperature control elements, e.g.
  • the main flow guide body in particular in the case of a centrifugal separator, can be designed in such a way that a completely free cavity is formed inside the main flow guide body.
  • a completely free cavity can be formed in the area of a separating section of the particle separator, ie a cavity without built-in components.
  • the particle separator, in particular the main flow guide body can preferably be designed “without a dip tube”, with the particle separator not including a dip tube in the predominantly cylindrical main flow guide body.
  • the particle separator (inside) can essentially have no surfaces from which a nearest centrifugal force vector points away.
  • this can further reduce the risk of buildup, since precisely those surfaces of an inertial force separator from which the centrifugal force vector points away during operation are particularly susceptible to buildup.
  • the temperature control element described above is designed as part of an adhesion-reducing element or can also (alone) form such.
  • an adhesion-reducing element has a combination of at least one temperature control element and at least one element for guiding the flow.
  • an adhesion-reducing element (solely) to be formed by an element for guiding the flow.
  • a particle separator can have two or more, also separate, adhesion-reducing elements. The respective adhesion-reducing elements can be designed differently.
  • An element for guiding the flow or a flow guiding element can be designed to separate the process gas into at least two partial flows before it enters and/or when it enters the particle separator and/or in the particle separator.
  • the partial flows can at least temporarily be guided through the particle separator spatially separately from one another.
  • the flow guidance element can be implemented as part of the inlet element and/or the main flow guide body and/or the outlet element.
  • the flow guidance element can also be designed as a separate component of the particle separator and/or interact with specific elements of the particle separator during operation.
  • the flow guidance element can be designed in several parts or can comprise several separate components.
  • the element for guiding the flow can preferably be designed such that during operation of the particle separator a first partial flow of process gas is introduced at a first discrete entry point and a second partial flow of process gas at a second discrete entry point in the preferably essentially cylindrical main flow guide body.
  • the first and/or the second partial flow can each be introduced essentially tangentially into the main flow guide body.
  • the first entry point and the second entry point can be diametrically opposite one another.
  • the element for guiding the flow can also be designed in such a way that the process gas is fed by means of three or more partial flows into the preferably essentially cylindrical Main flow guide is introduced.
  • a separate or discrete point of entry into the main flow guide body is preferably assigned to each partial flow, in order to introduce the respective partial flow, in particular substantially tangentially, into the main flow guide body.
  • the (three or more) respective points of entry for process gas into the main flow guide body can preferably be formed by the flow guide element in such a way that the respective partial flows are distributed essentially uniformly over an inner circumference of the, preferably essentially cylindrical, main flow guide body and enter the main flow guide body.
  • the respective entry points can be formed by the flow guidance element in such a way that the respective partial flows enter the main flow guide body, distributed essentially uniformly over an inner circumference of an essentially rotationally symmetrical vortex chamber.
  • the inner circumference results, for example, from a top view of a cross section through the main flow guide body, in particular through the vortex chamber.
  • the process gas can advantageously be introduced into the main flow guide body, in particular into the vortex chamber, distributed as uniformly as possible via the element for guiding the flow. It can thereby be achieved that at least the critical areas, which are essentially normal to a main axis of rotation of process gas in the main flow guide body, are so (strongly) exposed to process gas that a specific minimum wall shear stress is applied to these areas during operation.
  • the "patterned" inflow of process gas via three or more entry points can be achieved in a particularly reliable manner in that a specific (minimum) flow rate is generated and/or a specific minimum wall shear stress is generated in all critical areas of the main flow guide body during operation, so that adhesions are avoided.
  • the process gas can preferably flow approximately parallel to the housing wall at least in the critical areas of the main flow guide body as a result of being introduced in portions.
  • the uniform introduction of the process gas and the introduction of partial flows in such a way that a main direction of a partial flow assumes the smallest possible angle to the housing wall at the point of entry into the main flow guide body, i.e. essentially tangentially, can also prevent flow short circuits in a cyclone separator without an immersion tube .
  • a “flow short circuit” is understood to mean a (direct) re-emergence of the process gas flow from the main flow guide body, in particular the vortex chamber, with the process gas running through less than one complete revolution according to the helical movement.
  • a horizontal expansion of a respective (tangential) inlet i.e. an expansion essentially orthogonal to the housing wall of the preferably cylindrical main flow guide body, can preferably be as small as possible, so that if possible no process gas flows (directly) into a connection area to the outlet element.
  • the particle separator can be particularly well adapted to the technical features of an additive manufacturing device through these and other design measures, so that, for example, adhesions can at least be reduced even at comparatively low flow rates of process gas in the particle separator.
  • a flow rate of process gas of an additive manufacturing device when it enters the particle separator can be about 6 m/s or less, with known separating devices typically achieving velocities of up to 20 m/s, which can affect the formation of buildup.
  • the element for guiding the flow can have a process gas guide element or a (process gas) inlet element, which is arranged at least partially, in particular predominantly completely, around an (outer) circumference of the main flow guide body, in particular on the (outer) circumference of the essentially cylindrical vortex chamber .
  • An inner cross-sectional area of the process gas guide element which is essentially orthogonal to a (mean) flow direction of process gas in or through the process gas guide element, can decrease along the flow direction, in particular continuously.
  • the process gas guiding element can comprise a line for process gas with a tapering flow cross section, which runs around the outside of the main flow guiding body, e.g. in the manner of a snail.
  • Process gas can be fed into the main flow guide body by means of a number of discrete entry points, the entry points preferably being distributed uniformly over the (inner) circumference of the main flow guide body, in particular the vortex chamber.
  • the process gas is introduced into the main flow guide body as uniformly as possible, with the process gas at a respective entry point having a specific average value that is essentially the same size everywhere Inflow velocity or a substantially equal volume flow density can have.
  • This has the advantage that a minimum wall shear stress can be generated and/or maintained as continuously as possible in the critical areas during operation.
  • the element for guiding the flow can have a process gas guide element which has a number of flow-directing elements, preferably at least partially adjustably mounted.
  • each flow-guiding element can be assigned to a separate point of entry of process gas into the main flow-guiding body.
  • the flow directing elements can, for example, be designed in the manner of (adjustable) guide vanes.
  • the process gas guide element can be designed to achieve a, preferably local, change in an inner contour of a part of the particle separator, in particular of the predominantly rotationally symmetrical main flow guide body, e.g. compared to a rest position of the particle separator.
  • a rest position which can alternatively also be referred to as a rest state, starting position or neutral setting of the particle separator, is preferably characterized in that the particle separator (currently) does not have process gas flowing through it.
  • Such guide vanes can preferably be used in combination with a process gas guide element with a tapering flow cross section (“snail” variant).
  • the individual entry points can be separated from one another (only) by the respective guide vanes.
  • a respective entry point could be formed by two adjacent guide vanes.
  • some of these guide vanes can be adjustably mounted, in particular also separately from other guide vanes.
  • a specific angle between a respective guide vane and the (mean) flow direction of process gas in the process gas guide element can preferably be set, e.g. in an automated process using a control unit.
  • the inflow of process gas into the main flow guide body can be controlled (as required) during operation, in particular also spatially resolved. For example, this could counteract incipient adhesion in a specific area of the housing wall.
  • the process gas guide element in particular the variant of a snail, and/or at least some guide vanes can be designed to introduce a specific partial flow of process gas tangentially into the preferably essentially cylindrical main flow guide body in such a way that an angle between a velocity vector of a respective partial flow and the inner housing wall is as small as possible, at least when introducing process gas into the main flow guide body.
  • the process gas guiding element and/or the element for guiding the flow can also be designed to introduce one or more process gas flows into the particle separator at a specific angle in relation to the inner housing wall.
  • the process gas could be introduced into the particle separator via an axial inlet, with the process gas being rotated via a swirl generator, e.g. axially operating vanes, as part of the flow guidance element.
  • the element for guiding the flow can have a process gas guide element which is at least partially designed in the manner of a helix.
  • the process gas guide element can preferably be arranged at least partially, in particular predominantly completely, around an (outer) circumference of the main flow guide body.
  • the process gas guiding element can be designed in such a way that the pitch of the helix is such that, starting from a first point of entry for process gas into the main flow guiding body, after the process gas guiding element has completely circumnavigated the (main rotation) axis, there is an axial offset of essentially an axial extent corresponds to the first entry point.
  • the axial offset can be just as large as the axial extent of the (first) entry point or inlet, with a partial flow of process gas after one revolution or circumnavigation through the process gas guide element directly, in particular without a step and / or without flow dead areas, under the first Inlet is guided, so that the partial flow can enter the main flow guide body via a further inlet.
  • a process gas guide element that is helix-like at least in sections can preferably be arranged on an (outer) circumference of the main flow guide body.
  • the process gas guiding element can comprise a cover surface of the main flow guiding body, which is at least partially designed in the manner of a helix.
  • the cover surface can preferably be an area of the internal housing be sewandung the particle separator, in particular the vortex chamber, which delimits the main flow guide in the direction of the outlet element.
  • at least partial areas of the main flow guide body which are arranged essentially normal to a main axis of rotation, can have a helical structure (as a process gas guide element).
  • Such a helical structure can preferably form a three-dimensional structure, in particular for guiding the flow.
  • a slope of such a helical surface structure can also be comparatively flat and, in extreme cases, can also approach zero.
  • a process gas guiding element can preferably comprise a combination of a process gas guiding element which is at least partially helical in design and a tapering flow cross section (“snail” variant).
  • the inlet element could also have such a flow-directing element, e.g. outside of the main flow guide body, which is at least partially designed in the manner of a helix, particularly in a region of the inlet element that is essentially arranged normal to the main axis of rotation during operation.
  • a flow-directing element e.g. outside of the main flow guide body, which is at least partially designed in the manner of a helix, particularly in a region of the inlet element that is essentially arranged normal to the main axis of rotation during operation.
  • the particle separator preferably comprises an outlet element for exiting process gas, which outlet element has a preferably substantially cylindrical base body.
  • This base body or outlet pot can be connected to the preferably essentially cylindrical main flow guide body of the particle separator.
  • the outlet element can furthermore have an outlet area for process gas from the outlet element, which is arranged preferably tangentially on the base body and is in particular horizontal during operation.
  • the outlet area can be designed in multiple parts and/or can be connected to a filter device of an additive manufacturing device during operation.
  • a ratio between an (internal) diameter of the base body of the outlet element and an (internal) diameter of the, preferably essentially rotationally symmetrical, main flow guide body can be at least approximately 0.25, preferably at least approximately 0.4, preferably at least approximately 0.5, in particular at least about 0.533 and/or at most about 0.7, preferably at most about 0.66.
  • the (internal) diameter of the main body of the outlet element relates in particular to the connection point between the outlet element and the main flow guide body.
  • the surfaces in the outlet element that are essentially normal to the main axis of rotation of process gas in the outlet element can be as small as possible, with buildup in the outlet element being able to be counteracted.
  • an axial flow rate of process gas in the outlet element can advantageously be reduced to such an extent that, if possible, no process gas is drawn out of the main flow guide body, whereby a short-circuit flow can be avoided, while a certain minimum wall shear stress is nevertheless achieved in as many flow-guiding areas of the outlet element as possible.
  • the outlet element can furthermore have a lid or a cover, which is opposite a point of entry for process gas into the outlet element.
  • the process gas can enter from the main flow guide body via the entry point into the base body of the outlet element, with the process gas moving on a helical path and/or around the main axis of rotation in the main flow guide body rotates.
  • the main axis of rotation in the main flow guide body can run essentially the same as the main axis of rotation in the outlet element.
  • the main flow guide body in an operating position, can be arranged in the vertical direction, with the separation cone adjoining downwards, i.e. in the vertical direction, and with the outlet element being arranged on an opposite side of the main flow guide body (pointing upwards).
  • the cover of the outlet element could form the upper end of the particle separator and can, for example, interact with the outlet pot in a form-fitting manner.
  • the cover can, for example, be designed as part of the housing wall, preferably in a removable manner. In principle, the cover could also be firmly connected to the outlet pot and/or be designed as part of the outlet pot.
  • the cover can preferably have at least one flow-guiding element for process gas, which is formed by the element for guiding the flow.
  • the flow guidance element can be designed in multiple parts.
  • a (first) part of the flow guidance element can be assigned to the outlet element, while another (second) part of the flow guidance element can be assigned to the main flow guide body.
  • the assignment can be such that during operation a part of the flow guiding element develops a defined flow guiding effect in the outlet element, with another part of the flow guiding element developing a flow guiding effect in the main flow guiding body.
  • the flow-directing element of the outlet element can preferably narrow a flow area in the outlet element through which process gas flows during operation, preferably towards the outlet area.
  • a flow-directing element can be formed by means of a hollow truncated cone that tapers towards the cover and/or towards a preferably tangential outlet area.
  • a flow area can be formed above it, which at least partially has the shape of a truncated cone.
  • the flow directing element can be realized by means of a hollow oblique cone.
  • the flow-guiding element in the outlet element can comprise an inner cover surface of the cover, which is at least partially designed in the manner of a helix.
  • a pitch of this helix-like structure can be comparatively flat and, in extreme cases, can also approach zero.
  • a helical cover surface of the outlet element and/or the main flow guide body can contribute to the process gas flow being guided along such surfaces of the housing wall during operation that are essentially parallel to a centrifugal force vector or orthogonal to the main axis of rotation.
  • the outlet element in particular via the element for guiding the flow, can be designed in such a way that the preferably tangential outlet area is designed steplessly in relation to the cover of the outlet element.
  • the inlet element can also be designed steplessly in relation to the (internal) cover surface of the main flow guide body. At least the adjoining areas of the (inner) cover surface of the vortex chamber and the inlet element can preferably merge into one another in a stepless manner.
  • the inlet element can preferably have a substantially angular cross section at least at a (respective) point of entry of process gas into the main flow guide body and/or the outlet element at a point of exit of process gas from the outlet pot.
  • the cross section of the inlet element and/or the outlet element can start from the entry or exit point in the course of the respective Gen elements (upstream or downstream) are continuously converted into an approximately round cross-section.
  • permanent or recurring flow separation and the occurrence of vortices can be avoided as far as possible by this special flow guidance.
  • the outlet element in particular the element for guiding the flow in the outlet element, can have a number of separate outlet areas for process gas from the outlet element and/or a number of preferably adjustably mounted flow-directing elements, e.g. one or more guide vanes. At least some of the vanes can be designed to be adjustable in an automated process.
  • the lowest possible axial velocity can be achieved in the outlet element during operation, with a further structural adaptation of the particle separator to the treatment of process gas from additive manufacturing being able to take place.
  • the housing wall of the particle separator can preferably be made of cold-rolled sheet steel, in particular for the formation of the inlet element, main flow guide body and/or outlet element.
  • An average roughness of the cold-rolled sheet steel, in particular an average roughness of an inner housing wall can preferably have a value of approximately 0.4 ⁇ m (Ra).
  • at least the inner housing wall can be realized by means of a (steel ball) blasted stainless steel surface.
  • This material has the advantage that it is comparatively cheap to obtain and at least does not promote the adhesion of fine particles.
  • At least a partial area of the particle separator which is preferably essentially normal to a main axis of rotation of process gas during operation, could also have a coating that “impedes adhesion” for fine particles or metal condensates, in order to further reduce adhesion of fine particles.
  • An anti-adhesion coating can be, for example, a DLC plasma coating (“diamond-like carbon”) and/or a PTFE coating (polytetrafluoroethylene) and/or a TiN plasma coating (titanium nitride) and/or a glass coating and/or lotus coating , preferably also a combination of these.
  • Such an “anti-adhesion” coating could, for example, be part of an adhesion-reducing element.
  • the particle separator can have further means in order to avoid adhesion of fine particles or condensate particles and/or in order to detach an (existing) adhesion from a housing wall again.
  • At least one heating element can be designed in a controllable manner in order to detach adhesion of fine particles from at least a partial area of a housing wall of the particle separator, in particular in an automated process.
  • an adhesion can be detached without manual intervention and at a specific point in time.
  • the heating element could also be designed to be used in a “cleaning mode” to remove any buildup that may be present.
  • the particle separator could be supplied with a pure process gas from an additive manufacturing device with the highest possible or maximum volume flow, with no additive manufacturing taking place in the device in the cleaning mode. It would also be possible to route a pure process gas past the additive manufacturing device in a bypass.
  • a controlled detachment of adhesions can be achieved by the process gas flow.
  • the particle separator can also be cleaned (solely) by subjecting the particle separator to a high volume flow of a preferably pure process gas in order to detach adhesions again, ie without active heating of the housing wall.
  • the cleaning can preferably be carried out using the flow guidance element.
  • the inflow of process gas into the main flow guide body can be controlled by means of adjustable guide vanes or a guide apparatus in such a way that adhesions in certain areas of the housing wall can be detached.
  • the particle separator can have a preferably controllable vibrator or vibration generator, e.g. a ball vibrator, an eccentric, an ultrasonic exciter, etc., which is preferably designed to oscillate the main flow guide body in a specific frequency spectrum and/or with to excite a certain amplitude.
  • a vibration in the main flow guide body can occur in particular during operation of the particle separator, with the risk of buildup being able to be further reduced as a result.
  • the particle separator can be designed in such a way that an impulse of a gas pressure surge in the particle separator can be used to at least partially detach metal condensate adhering to an inner housing wall.
  • a gas pressure surge from a filter cleaning of an additive manufacturing device can be introduced into the particle separator in such a way that adhering fine particles are detached.
  • these means in particular in combination with the adhesion-reducing element described, can be used to remove any minor adhesions of fine particles that may occur during normal operation of the particle separator, e.g. after a large number of construction jobs or in the case of fine particles with a strong tendency to adhere, from the housing wall in a simple and time-saving manner be removed.
  • the particle separator can have an outlet element for the separated coarse particle fraction, in order to discharge the coarse particle fraction, preferably continuously during operation, from the main flow guide body.
  • the outlet element can adjoin the main flow guide body or be connected to it. In the case of a counterflow cyclone, the outlet element can be connected, for example, to a separating cone as part of the main flow guide body.
  • the outlet element can preferably be designed to bring the separated coarse particle fraction into a collection container.
  • the outlet element can preferably have a coupling point for reversible coupling to the collection container.
  • the two components can also be permanently connected, e.g. screwed together in a detachable manner.
  • the outlet element can also have a controllable closing mechanism in order to at least temporarily interrupt a connection between the particle separator and the collection container.
  • Figure 1 is a schematic view of an additive manufacturing system according to the invention and the gas flows in the additive manufacturing system
  • Figure 2 is a view of a particle separator according to the invention
  • FIG. 3A shows a sectional view of the particle separator from FIG. 2,
  • Figure 3B is a view of a particle separator according to the invention.
  • FIG. 7 shows a schematic view of an additive manufacturing device
  • FIG. 8A shows a schematic view of a particle separation system according to the invention
  • FIG. 8B shows a schematic view of a part of a particle separation system according to the invention
  • FIG. 9 shows a visualization of a simulated process gas flow by means of pseudo streamlines in a particle separator according to the invention.
  • FIG. 1 shows a purely schematic view of an additive manufacturing system 9 according to the invention.
  • the essential components of the additive manufacturing system 9 include an additive manufacturing device 5, also referred to as an additive manufacturing machine 5 or AM machine 5 for short, a process gas discharge device 90 with a filter device 91, a particle separation system 8 and here a further processing device 92 for manufactured manufactured products.
  • the additive manufacturing device 5 is shown in more detail in FIG. 7 by way of example and also schematically.
  • the additive manufacturing device 5 comprises a process space 52 or a process chamber 52 with a chamber wall 53 in order to build up a component 51 additively within the process space 52 .
  • a removable container 54 with a container wall 55 is arranged inside the process chamber 52 .
  • the container 54 defines with its upwardly open end a working plane 56, in which a construction field 57 for the construction of the object 51 is located.
  • a carrier 58 which can be moved in the vertical direction V and on which a base plate 59 which forms the lower end of the container 54 is attached here.
  • the base plate 59 can be formed integrally with the carrier 58 or manufactured separately and connected to the carrier 58 .
  • the base plate 59 also has a construction platform 60 on which the object 51 is built.
  • the component 51 comprises a number of component layers 5T that have already been solidified, construction material 63 that has remained unsolidified being arranged in the area surrounding the component 51 .
  • the AM machine 5 comprises a storage container 62 for (fresh) construction material 61 and a coater 64 as part of a feed device, which can be moved in the horizontal direction H in order to apply the construction material 61 in the construction area 57 .
  • an optional radiant heater 65 is arranged inside the process chamber 52 .
  • the AM machine 5 also has a feed for (pure) process gas 50" into the process chamber 52, with the process gas 50" flowing through the process chamber 52 and in particular being able to be guided over the construction field 57 at a short distance.
  • the process gas 50" is enriched with impurities, e.g. unsolidified build-up material 63, spatter and metal condensates, with the process gas 50 laden with particles exiting the process chamber 52 via a corresponding discharge and can at least partially be fed to a particle separation system.
  • impurities e.g. unsolidified build-up material 63, spatter and metal condensates
  • the AM machine 5 comprises an irradiation unit 66 with a laser 67, a laser beam 68 being deflected by a deflection device 69 in such a way that the laser beam 68 enters the process space 52 of the AM machine 5 via a coupling window 71.
  • the laser beam 68 can be focused onto the working plane 56 via a focusing device 70 .
  • the AM machine 5 has a control unit 72, via which the respective components of the AM machine 5 are controlled in a coordinated manner in order to carry out a building process.
  • the control unit 72 may be formed as part of the AM machine 5 or may be mounted outside of the AM machine 5, in whole or in part.
  • the tax Unit 72 may include a CPU whose operation is controlled by a computer program (software).
  • the control unit 72 can also be designed to control the components of a particle separation system 8 and/or an additive manufacturing system 9 (FIG. 1).
  • FIG. 1 shows that the process gas 50 loaded with particles 6, 7 exits the AM machine 5 and is partially introduced directly into a filter device 91 as part of a process gas discharge device 90 via corresponding connecting pipes (not shown).
  • the process gas 50 can be extensively cleaned in the filter device 91 or in the filter system 91, with both a coarse particle fraction 6 and a fine particle fraction 7 being filtered out of the process gas 50, for example.
  • the filter device 91 is designed in particular to prepare the process gas 50 for reuse.
  • a second part (flow) of the particle-laden process gas 50 is introduced into a particle separator 1 of a particle separation system 8 .
  • the coarse particle fraction 6 is separated from the process gas 50 and is collected in a collection container 80 .
  • the particle separator 1 unlike the filter device 91, is designed to separate the coarse particle fraction 6 from the process gas 50 in order to recover a usable powder fraction.
  • the process gas 50′ exiting the particle separator 1 or exiting therefrom, which is loaded with the fine particle fraction 7, is introduced into the filter system 91 for purification. After flowing through the filter device 91, the (reunited) process gas stream 50′′ re-enters the AM machine 5 .
  • the process gas 50 of the AM machine 5 loaded with particles 6, 7 can also be introduced completely into the particle separator 1, with the splitting of the process gas 50 into two partial flows or the bypass to bypass the particle separator 1 being optional.
  • the particle separation system 8 of Figure 1 is shown in more detail in Figure 8A, with the system 8 typically being connected in operation to other components of an additive manufacturing system 9, as previously described.
  • the particle separation system 8 comprises a particle separator 1, to which particle-laden process gas 50 can be fed during operation via an inlet element 12, with the process gas 50′ exiting the particle separator 1 again from an outlet element 13 after separation of a coarse particle fraction.
  • the particle separator 1 is designed in Figure 8A as a counterflow cyclone 1 and has at its (here lower) end via an outlet element 41 not shown in detail or a coarse particle outlet 41 ( Figure 2) a connection to a collection container 80.
  • the particle separator 1 has a locking mechanism 83 on, which is designed to temporarily interrupt a connection between the particle separator 1 and the collecting container 80 . When the mechanism 83 is in the open state, the separated coarse particle fraction can enter the collection container 80 by gravity during operation of the particle separator 1 .
  • the collection container 80 also has a locking mechanism 84 in order to close off the collection container 80 from the environment. Furthermore, the collecting container 80 has an optional coupling point 85 in order to form a detachable connection with a conveyor module 81 .
  • An exemplary conveyor module 81 is shown in Figure 8B.
  • the conveyor module 81 can be assigned at least temporarily to a particle separator, a particle separator system 8 being formed.
  • the conveyor module 81 comprises a coupling point (not shown) complementary to the coupling point 85 of the collecting container 80, with the coarse particle fraction being able to be transferred from the collecting container 80 into the conveying module 81 via this connection, with the locking mechanism 84 being able to be opened automatically.
  • the conveyor module 81 can have a vacuum conveyor, a screw conveyor or another conveyor system in order to transfer the coarse particle fraction.
  • the particle separator 1 and the collecting container 80 are of modular design in FIG. 8A and are arranged in a movable housing.
  • a conveyor module it would also be possible for a conveyor module to be designed to directly convey the cleaned coarse particle fraction and automatically discharged from the collection container 80, in particular continuously during operation, in which case the coupling points 85 and the locking mechanism 84 could be dispensed with.
  • a conveyor module could be permanently connected to the collection container 80 during operation and/or be stationary.
  • the particle separation system 8 has a control panel 82 here, via which, for example, the operation of the particle separator 1 can be controlled and/or operating parameters can be monitored.
  • the locking mechanisms 83, 84 or the coupling point 85 or an interaction with the conveyor module 81 could be controlled.
  • the particle separator 1 and/or the conveyor module 81 and/or the transfer of the coarse particle fraction into the conveyor module 81 could be controlled by a superordinate control unit. For example, this task could be taken over by the control unit 72 of an AM machine 5 (FIG. 7).
  • FIG. 1 An embodiment of a particle separator 1 is shown schematically in more detail in FIG.
  • the particle separator 1 is designed here and in the other FIGS. 3 to 6 by means of a countercurrent cyclone, the invention not being restricted thereto.
  • the particle separator 1 comprises an inlet element 12 for process gas 50, an adjoining main flow guide body 10 with a vortex chamber 10' and a separator cone 11 adjoining (here) below.
  • the vortex chamber 10' which is essentially rotationally symmetrical, and the conical area 11 together form the main flow guide body 10.
  • An outlet element 41 for a cleaned coarse particle fraction is arranged on the separating cone 11, it being possible for the particle separator 1 to be connected to a collection container 80 via the outlet element 41 or the coarse particle outlet 41 (FIG. 8A).
  • the particle separator 1 comprises an outlet element 13 for process gas 50' from the main flow guide body 10 or from the particle separator 1 on a (here) upper side pointing away from the separation cone 11.
  • the particle separator 1 has an adhesion-reducing element 2 which is designed here in two parts and includes two separate temperature control elements 20 .
  • a first (upper) temperature control element 20 rests here on an upward-pointing, horizontal partial area of a housing wall 14, with a covering or a lid of the outlet element 13 being formed over this partial area.
  • a second (lower) temperature control element 20 rests here on a horizontal partial area of the housing wall 14 that delimits the main flow guide body 10 at the top, with a cover of the main flow guide body 10 being formed over this partial area.
  • the orientation of the parti- kelabscheiders 1 in relation to the perpendicular direction R could be an operating position of the particle separator 1.
  • the particle separator 1 from FIG. 2 is shown in a longitudinal section, as it could be flown through when used as intended during operation.
  • the process gas 50 flows into the region on the left here into the turbulence chamber 10', with the process gas flow 50, at least immediately after entering the turbulence chamber 10', being in contact with a partial region 15 of the housing wall 14, which is horizontal here, i.e. in the Substantially flows directly along this.
  • the partial area 15, which extends from the housing wall 14, which is vertical here, to a connection area with the outlet element 13, forms the cover of the main flow guide body
  • the process gas 50 is set in a rotary motion and rotates according to a main flow direction SR of process gas 50 on the outside, i.e. along the housing wall 14, about the main axis of rotation X shown schematically here.
  • the process gas 50 moves according to the main flow direction SR on a helical path in the direction of the separation cone
  • the particles of the coarse particle fraction in the process gas 50 cannot follow a (strong) curvature of the flow lines of the process gas 50 generated by the vortex chamber 10', in particular due to their inertia. They are essentially pressed against the inner housing wall 14 by the centrifugal force. Accordingly, the particles of the coarse particle fraction cannot follow the helical movement directly and collect on the inner housing wall 14 or sink in the direction of the outlet element 41 due to gravity and as a result of the downward movement component of the helical flow.
  • the separating cone 11 forces the process gas 50 to flow Main axis of rotation X, with a reversal of the axial component of the main flow taking place and with the process gas 50 in turn moving in a helical manner while rotating about the main axis of rotation X in the direction of the outlet element 13 .
  • the number of revolutions of the outer flow of the process gas 50 along the housing wall 14 during operation can be approximately the same as the number of revolutions of the inner flow of the process gas 50 in the direction of the outlet element 13.
  • the process gas 50 enters an outlet pot 17 of the outlet element 13, the process gas 50 initially continuing to rotate about the (same) main axis of rotation X. Over The process gas 50′ exits the particle separator 1 through an exit region 18 (FIG. 4) which is not shown in FIG. 3A.
  • the adhesion-reducing element 2 is designed in several parts in Figure 3A and comprises a first (upper) temperature control element 20, which is assigned to a partial area 15' of the housing wall 14 in the outlet element 13, which partial area 15' is arranged essentially normal to the main axis of rotation X in the particle separator 1.
  • the partial area 15' which is temperature-controlled via the temperature-control element 20, is arranged horizontally and/or essentially parallel to an inflow direction or outflow direction of process gas 50, 50'.
  • the tempered sub-area 15' here corresponds to a cover (19) of the outlet element 13 (FIG. 4).
  • the temperature control element 20 is formed in Figure 3A by means of an insulation element 21, wherein a temperature gradient between a temperature Ti of the associated partial area 15' and a process gas temperature T2 of the inflowing process gas 50 and/or the outflowing process gas 50' can be reduced via the insulating element 21 (compared to an untempered housing wall 14), so that e.g. the temperature Ti is only slightly lower than a process gas temperature T2.
  • a second part of the adhesion-reducing element 2 is realized by means of a second temperature control element 20, which is assigned to a partial area 15 of the housing wall 14 of the vortex chamber 10' or tempers it, this partial area 15 being essentially normal to the main axis of rotation X in the particle separator 1.
  • the temperature control element 20 comprises an insulation element 21 and, shown by way of example, two heating elements 22 embedded therein.
  • the associated partial region 15 of the housing wall 14 can be actively heated to a specific temperature T3, in particular a setpoint temperature T3, via the temperature control element 20, in particular via the heating elements 22.
  • the temperature T3, i.e. the surface temperature T3 of the inner housing wall 14 in the temperature-controlled sub-area 15, is at least higher than the process gas temperature T2 of the inflowing process gas 50.
  • a temperature-controlled partial area 15, 15′ and/or an associated temperature-control element 20 can be designed in such a way that predominantly all flow-guiding surfaces of the housing wall 14, which are essentially normal to the main axis of rotation X during operation, are temperature-controlled.
  • the process gas temperature T2 does not have to be constant when flowing through the particle separator 1, whereby the process gas 50 can be cooled, in particular if there is no active heating of partial areas of the particle separator 1.
  • the temperatures Ti, T3 do not have to be constant over the entire temperature-controlled surface 15', 15, ie there can also be slight local temperature differences in a respective partial area 15, 15'.
  • the temperature control element 20 of the main flow guide body 10 could also have several or just a single heating element 22, with other sections of the same partial area 15 then not being actively heated. Accordingly, the respective temperatures or temperature gradients are only examples.
  • FIG. 3B shows a particle separator 1 according to an embodiment of the invention, which differs from the particle separator 1 from FIG.
  • the adhesion-reducing element 2 comprises four temperature control elements 20, one temperature control element 20 being arranged on a (here) horizontal partial area of the housing wall 14 or a cover of the outlet element 13 and the main flow guide body 10. Furthermore, the (here) vertical areas of the housing wall 14 of the outlet element 13 and the vortex chamber of the main flow guide body 10 are each assigned a temperature control element 20 .
  • the respective temperature control elements 20 can be realized, for example, by means of insulation elements made from EPDM foam.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through another embodiment of a particle separator 1, the particle separator 1 having an adhesion-reducing element 2 with a multi-part element 30 for guiding the flow. Since the basic structure of the particle separator 1 corresponds to that shown in FIGS. 2, 3A and 3B, only the differences are described in more detail below.
  • the flow guiding element 30 or a first part thereof forms a flow channel for process gas 50 and runs at least partially around the latter outside of the vortex chamber 10 ′.
  • the flow guidance element 30 is connected to the inlet element 12 in order to supply process gas 50 .
  • the flow guidance element 30 is designed in such a way that a first partial flow 31 of process gas 50 enters the vortex chamber 10 ′ at a first entry point 32 , specifically essentially tangentially.
  • the vortex chamber 10 ′ is designed approximately like a cylinder, particularly in the area of the entry point 32 .
  • a second partial flow 33 of the process gas 50 is first partially guided around the vortex chamber 10′ by the flow guiding element 30 outside the housing wall 14, with the second partial flow 33 then entering the vortex chamber 10′ via a second entry point 34 ( Figure 5).
  • the main flow guide body 10 is designed without a dip tube, with a completely free cavity 16 being formed inside the main flow guide body 10, in particular in the vortex chamber 10', i.e. a cavity 16 without built-in components.
  • the process gas 50 can enter the outlet element 13 via an entry point 19' after flowing through the vortex chamber 10'.
  • the outlet element 13 comprises a predominantly cylindrical outlet pot 17 and a cover 19 opposite the entry point 19' as a basic body.
  • the cover 19 has a flow-directing element 39 as part of the flow-guiding element 30 , as a result of which a flow area or a flow cross-section for process gas in the outlet element 13 is narrowed towards the outlet area 18 .
  • the flow-directing element 39 is designed here in such a way that the flow area at least partially has the shape of a truncated cone that tapers towards the cover 19 .
  • Figure 4 also shows that an inner diameter Di of the base body 17 or of the essentially cylindrical outlet pot 17 of the outlet element 13 is smaller than an inner diameter D2 of the vortex chamber 10' of the main flow guide body 10, the ratio of Di to D2 here is about 0.5.
  • a further embodiment of a particle separator 1 is shown in section in FIG. 5, which differs from the particle separator 1 from FIG.
  • the process gas 50 of an AM machine enters the flow guidance element 30 via the inlet element 12 and is first divided therein into two partial flows 31, 33, which temporarily run spatially separately from one another. While a first partial flow 31 via a first entry point 32 essentially tangentially into the vortex chamber 10' is introduced, the second partial flow 33 is first guided partially around the outside of the vortex chamber 10' by the flow guiding element 30 and only then is introduced essentially tangentially.
  • the second process gas flow 33 is again divided into a plurality of partial flows 33, 33' by the flow guidance element 30, with the process gas 50 entering the swirl chamber 10' in the form of three partial flows 31, 33, 33'.
  • a separate entry point 32, 34, 34' is assigned to each of the three partial flows 31, 33, 33' in order to introduce the partial flow 31, 33, 33' essentially tangentially into the vortex chamber 10'.
  • the entry point 32 of the first partial flow 31 and the entry point 34 of the third partial flow 33 are approximately diametrically opposite.
  • the flow guidance element 30 could also be designed in such a way that the partial flows 31, 33, 33' flow essentially uniformly over an inner circumference U of the cylindrical main flow guide body 10, in particular essentially uniformly over an inner circumference U of the cylindrical swirl chamber 10 'Distributed into the main flow guide body 10 occur. It would also be possible for the process gas 50 to enter the vortex chamber 10' in the form of four or more partial flows. Contrary to what is shown here purely schematically, in the area of the (second) central entry point 34', the right boundary of the entry point 34', i.e. the windward side of the downstream partition plate for forming the flow guidance element 30, could be at least slightly away from the vortex chamber 10' into the Channel of the flow guide element 30 be set back.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of a particle separator 1, with the flow guiding element 30 having or forming a process gas guiding element 35 here.
  • the process gas guide element 35 is designed in such a way that it is arranged around an outer circumference U' of the vortex chamber 10' of the main flow guide body 10, with the process gas guide element 35 running completely around the circumference U' here.
  • the process gas guide element 35 comprises a plurality of adjustably mounted flow-directing elements 36 which are shown here schematically as guide vanes 36 .
  • the process gas guide element 35 can also be referred to as a guide apparatus.
  • Each guide vane 36 is assigned an entry point 37, 37' for process gas 50 into the main flow guide body 10, in particular into the vortex chamber 10'.
  • the respective guide vanes 36 themselves form the entry points 37, 37', with an entry point 37, 37' corresponding to a respective area between two adjacent guide vanes 36.
  • the vanes 36 are adjustable, the guide blades 36, also separately, can be positioned in a certain way with respect to the flow direction SR'.
  • the guide vanes 36 lying downstream in the direction of flow SR' could be arranged at a particularly steep angle with respect to the direction of flow SR' (not shown).
  • the guide vanes 36 each have essentially the same angle with respect to an imaginary straight line between a respective center point of the respective guide vane 36 and a center point of the main flow guide body 10.
  • the guide vanes 36 are of different lengths here, with a length of the guide vanes 36 in the flow direction SR′ continuously increasing. Above this, a flow cross section 38 through the process gas guiding element 35 can be successively reduced in the direction of flow SR'.
  • FIG. 6 is a basic sketch.
  • the process gas guide element 35 can also be implemented differently in order to reduce an inner cross-sectional area A of the process gas guide element 35, which is essentially orthogonal to a (mean) flow direction SR' of process gas 50 in the process gas guide element 35, along the flow direction SR'.
  • the inner cross-sectional area A is shown in FIG. 4 as an example using another embodiment of a flow guidance element.
  • the inner cross-sectional area A or a flow cross-section 38 through the process gas guide element 35 can preferably decrease over the circumference U' or along the flow direction SR', in particular essentially continuously.
  • the guide vanes 36 could also be of the same design and arranged at the same angle, with a reduction in the inner cross-sectional area of the process gas guide element 35 being achieved via an outer wall of the process gas guide element 35 (pointing away from the vortex chamber 10').
  • the outer wall could be designed such that a distance between the outer wall and the outer circumference U′ of the vortex chamber 10′ or the respective guide vanes 36 decreases continuously in the flow direction SR′ in order to reduce the flow cross section 38 .
  • the same or rotationally symmetrical flow conditions can be achieved along the circumference U of the vortex chamber 10′, with the process gas 50 being able to enter the main flow guide body 10 at a respective entry point 37, 37′ essentially at the same angle and at the same speed.
  • the flow guidance element 30 from Figure 6 forms a combination of an essentially tangential inlet for process gas 50 into the vortex chamber 10', a diffuser for process gas 50 and a flow cross section 38 tapering in the direction of flow SR'.
  • a flow guidance element 30 with such a diffuser For example, a tangential inlet can also be dispensed with, whereby the necessary swirl during operation is then only generated via the diffuser.
  • FIG. 9 shows, by way of example, pseudo streamlines from a simulation of an intended flow through a particle separator 1 with process gas 50, as could be the case, for example, during operation of the particle separator 1.
  • the particle separator 1 here has an adhesion-reducing element 2 with an element 30 for guiding the flow, which is designed to introduce the process gas 50 in two partial flows 31, 33 at two discrete entry points 32, 34 into the vortex chamber 10' of the main flow guide body 10.
  • the entry points 32, 34 of the partial flows 31, 33 are essentially diametrically opposite one another in relation to the approximately cylindrical area of the main flow guide body 10, in particular in relation to the vortex chamber 10'.
  • the two partial flows 31, 33 when flowing through the vortex chamber 10', rotate around the main axis of rotation X shown schematically, each moving downwards (here) on an essentially helical path, with the process gas flows 31, 33 passing through the separation cone 11 are directed inwards to the main axis of rotation X and then move upwards (here) on a helical path in the direction of the outlet element 13 in order to exit the particle separator 1 via it.
  • the process gas 50 can be introduced into the vortex chamber 10′ specifically via the element 30 for flow guidance in such a way that the inner housing wall of the vortex chamber 10′ in such (critical) areas that are essentially normal to the main axis of rotation X during operation with process gas 50 is applied that adhesion of fine particles is at least reduced or avoided.
  • the particle separators described in detail above are merely exemplary embodiments which can be modified in a wide variety of ways by a person skilled in the art without departing from the scope of the invention.
  • the adhesion-reducing elements shown in the respective exemplary embodiments, in particular their respective components can be interchanged and/or combined with one another.
  • the particle separator can alternatively also be a cocurrent cyclone, a gravity separator or an inertial separator, for example an impact separator.
  • a combination of several particle separators, including different ones, to form a series or parallel connection is also possible.
  • the use of the indefinite article "a" or "an” does not rule out the possibility that the characteristics in question can also be present more than once.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider (1) für eine additive Fertigungsvorrichtung (5) zum Abtrennen einer Grobpartikelfraktion (6) aus einem den Partikelabscheider (1) im Betrieb durchströmenden Prozessgas (50) einer additiven Fertigungsvorrichtung (5). Der Partikelabscheider (1) weist zumindest einen Hauptströmungsleitkörper (10), ein Einlasselement (12) für Prozessgas (50) in den Hauptströmungsleitkörper (10) und ein Auslasselement (13) für Prozessgas (50) aus dem Hauptströmungsleitkörper (10) auf. Weiterhin weist der Partikelabscheider (1) ein Haftreduzierungselement (2) auf. Das Haftreduzierungselement (2) weist wenigstens ein Temperierelement (20) auf, um zumindest einen Teilbereich (15, 15') einer Gehäusewandung (14) des Partikelabscheiders (1), welcher Teilbereich (15, 15') im Betrieb von Prozessgas (50) beströmt ist, zu temperieren. Alterna- tiv oder zusätzlich weist das Haftreduzierungselement (2) wenigstens ein Element (30) zur Strömungsführung auf, um das Prozessgas (50) der additiven Fertigungsvorrichtung (5) mit zumindest zwei Teilströmen (31, 33) in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) einzubringen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Partikelabscheidesystem (8) mit einem Partikelabscheider (1), ein additives Fertigungssystem (9) mit zumindest einer additiven Fertigungsvorrichtung (5), ein Prozessgasreinigungsverfahren zum Reinigen von Prozessgas (50) und ein Verfahren zur Steuerung einer additiven Fertigung.

Description

Partikelabscheider für eine additive Fertigungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft einen Partikelabscheider für eine additive Fertigungsvorrichtung zum Abtrennen einer Grobpartikelfraktion aus einem den Partikelabscheider im Betrieb durchströmenden Prozessgas einer additiven Fertigungsvorrichtung, ein Partikelabscheidesystem und ein additives Fertigungssystem mit einem solchen Partikelabscheider sowie ein Prozessgasreinigungsverfahren zum Reinigen von Prozessgas und ein Verfahren zur Steuerung einer additiven Fertigung.
Bei einer additiven Fertigung werden, üblicherweise auf Basis von digitalen 3D- Konstruktionsdaten, Fertigungsprodukte bzw. Bauteile durch ein Anlagern von Material aufgebaut. Der additive Fertigungsprozess verläuft typischerweise so, dass wiederholt dünne Schichten eines meist pulverförmigen Aufbaumaterials übereinander aufgebacht werden, wobei die einzelnen Schichten durch eine örtlich begrenzte Beaufschlagung mit einer Energieeintragsquelle, z.B. unter Nutzung von Licht- und/oder Wärmestrahlung, an bestimmten Stellen selektiv verfestigt werden, die nach der Fertigung Teil eines herzustellenden Objekts sind. Bekannte Beispiele für additive Fertigungsverfahren, die auf Bestrahlung basieren, sind „selektives Lasersintern“ oder „selektives Laserschmelzen“ bzw. „Laser Powder Bed Fusion“. Bei diesen Verfahren werden Pulverkörner des Aufbaumaterials mittels durch Strahlung an bestimmten Stellen lokal eingebrachter Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, wobei ein Schmelzbad entsteht. Nach einer Abkühlung sind diese Pulverkörner dann in Form eines Festkörpers miteinander verbunden.
Bei der additiven Fertigung ist es üblicherweise so, dass eine Prozessumgebung einer additiven Fertigungsvorrichtung, in der die Objekte aufgebaut werden, im Betrieb kontinuierlich mit einem Prozessgas beaufschlagt wird, z.B. zu Kühlzwecken oder um Verunreinigungen aus der Prozessumgebung abzuführen und/oder um Sauerstoff von der Schmelze bzw. Wärmeeinflusszone fernzuhalten. Solche Verunreinigungen, die nachfolgend auch als Verunreinigungspartikel oder kurz Partikel bezeichnet werden und die sich nachteilig auf eine Bauteilqualität auswirken können, entstehen besonders im Bereich des Energieeintrags in das Aufbaumaterial, z.B. in der Einflusszone eines Laserstrahls, der auf das pulverförmige Aufbaumaterial gerichtet ist bzw. im Bereich eines Schmelzbads. Zur Abführung von Verunreinigungen aus der Prozessumgebung wird üblicherweise das Aufbaumaterial einer zu bestrahlenden Schicht mit einem gerichteten Strom von Prozessgas bzw. einem Prozessgasstrom beströmt bzw. überströmt, z.B. mit einem Inertgas. Durch die lokale Energieeinwirkung einer Energieeintragsquelle, z.B. ein Laser, kann ein Teil des verflüssigten Aufbaumaterials aus dem Schmelzbad ausgestoßen werden und in den Prozessgasstrom eintreten. Die so ausgestoßene Fraktion des Schmelzbads kann sich im Prozessgas wieder verfestigen, wobei sich z.B. Partikel mit einem Durchmesser von mehreren Dutzend oder sogar mehreren Hundert Mikrometern bilden können, die auch als Spratzer oder „spatter“ bezeichnet werden.
Weiterhin kann im Betrieb einer additiven Fertigungsvorrichtung auch unverfestigtes bzw. unbestrahltes Aufbaumaterial in das Prozessgas eintreten. Beispielsweise können durch die Keyholedynamik im Tiefschweißprozess und infolge einer Bewegung eines Laserstrahls über die Schicht unverfestigte Pulverpartikel des Aufbaumaterials aufgewirbelt werden und aus einer Schicht des Aufbaumaterials austreten („cold spatter“).
Bei der Verarbeitung von metallischen bzw. metallhaltigen Aufbaumaterialien kann es durch die lokale Energieeinwirkung in eine Schicht des Aufbaumaterials dazu kommen, dass ein Teil des Aufbaumaterials verdampft und aus dem Schmelzbad ausgestoßen wird. Das so verdampfte Aufbaumaterial kann im gasförmigen Zustand in den Prozessgasstrom eintreten, dort kondensieren und wieder die Form eines Feststoffs annehmen. Diese kondensierten Metalldämpfe können aggregieren und, je nach Betriebsparameter der additiven Fertigung, unterschiedliche große Agglomerate im Prozessgas bilden, wobei ein Durchmesser eines Agglomerats z.B. geringer als 100 Nanometer sein kann. Die kondensierten Metalldämpfe und die ggf. im Prozessgas gebildeten Agglomerate werden nachfolgend unter dem Begriff „Metallkondensate“ bzw. „Kondensatpartikel“ zusammengefasst, wobei Metallkondensate eine Art von Verunreinigungspartikeln sind.
Die Metallkondensate, die auch als Schweißrauch bezeichnet werden, sowie andere Verunreinigungspartikel wie Spratzer oder unverfestigtes Aufbaumaterial können durch den gerichteten Prozessgasstrom aus der Prozessumgebung abgeführt werden. Um das Prozessgas im Betrieb zumindest teilweise wiederverwenden zu können, kann das aus der Prozessumgebung, z.B. einer Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrichtung, abgeführte Prozessgas in einer Filtereinrichtung aufgereinigt werden, bevor es der Prozesskammer erneut zugeführt wird. Dadurch kann einer schleichenden Kontamination der Prozesskammer und anderer Komponenten der additiven Fertigungsvorrichtung entgegengewirkt werden. Allerdings wird in bekannten Filtereinrichtungen von additiven Fertigungsvorrichtungen das Prozessgas üblicherweise umfassend dahingehend gefiltert, so dass möglichst alle Fremdstoffe aus dem Prozessgas entfernt werden, wobei die abgetrennten Partikel dann z.B. in Form eines Filterkuchens vorliegen und entsorgt werden müssen. Folglich kann bei dieser Art der Prozessgasaufreinigung eine erhebliche Menge an un verfestigtem Aufbaumaterial, das im Prozessgas mitgeführt wird, ungenutzt verloren gehen.
In anderen Bereichen der Technik sind zwar Vorrichtungen zur Abscheidung von Partikeln einer bestimmten Mindestgröße aus Gasen bekannt, wobei die abgetrennten Partikel in einer nutzbaren Form zurückgewonnen werden können. Allerdings besteht im Hinblick auf die additive Fertigung z.B. das Problem, insbesondere bei der Verarbeitung von metallhaltigen Aufbaumaterialien, dass das Prozessgas auch besonders kleine Partikel bzw. Partikel mit einer sehr geringen Masse enthalten kann. Dies betrifft z.B. feinste Pulverpartikel oder Metallkondensate, die einen Durchmesser von nur wenigen Nanometern haben können.
Derartige „Feinpartikel“ haben häufig die Neigung, beim Durchströmen einer Abscheidevorrichtung zumindest vorübergehend an strömungsführenden Oberflächen der Abscheidevorrichtungen anzuhaften. Daraus können sich bei der Verwendung von bekannten Abscheidevorrichtungen bei der additiven Fertigung Nachteile ergeben, vor allem bei der Verarbeitung von teilweise hoch reaktiven Metallpulvern. Beispielsweise kann es bei einem plötzlichen Kontakt von anhaftenden Feinpartikeln mit Sauerstoff zu einer unerwünschten Oxidation kommen, wobei die Partikel je nach Beschaffenheit leicht- oder selbstentzündlich sein können. Bei einem spontanen Ablösen der anhaftenden Feinpartikel kann sich eine explosionsfähige Atmosphäre in der Abscheidevorrichtung bilden. Bei einem Abreinigen der Anhaftungen kann die Gefahr einer Staubexplosion bestehen. Weiterhin kann die Gefahr bestehen, dass die anhaftenden Feinpartikel unbeabsichtigt in Kontakt mit aufgereinigten und/oder wiederverwertbaren Pulveranteilen kommen und diese kontaminieren und/oder zu einer Entzündung des wiederverwertbaren Aufbaumaterials führen können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelabscheider, ein Partikelabscheidesystem und ein additives Fertigungssystem sowie ein Prozessgasreinigungsverfahren zum Reinigen von Prozessgas und ein Verfahren zur Steuerung einer additiven Fertigung bereitzustellen, mit denen zumindest einige der zuvor beschriebenen Nachteile reduziert oder vermieden werden können. Diese Aufgabe wird durch einen Partikelabscheider gemäß Patentanspruch 1 , ein Partikelabscheidesystem nach Anspruch 14, ein additives Fertigungssystem nach Anspruch 15, ein Prozessgasreinigungsverfahren nach Anspruch 16 und ein Verfahren nach Anspruch 17 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Partikelabscheider ist dazu ausgebildet, um im Betrieb mit einer additiven Fertigungsvorrichtung so zusammenzuwirken, dass eine bestimmte Grobpartikelfraktion aus einem Prozessgas der additiven Fertigungsvorrichtung, welches Prozessgas den Partikelabscheider im Betrieb durchströmt, abgetrennt wird, insbesondere daraus abgeschieden wird. Das Prozessgas, das aus der additiven Fertigungsvorrichtung austritt und/oder in den Partikelabscheider eintritt, kann, wie eingangs beschrieben, eine Anzahl von Partikeln unterschiedlicher Größe enthalten. Die Partikel oder Verunreinigungspartikel sind insbesondere Verunreinigungen im Prozessgas, die z.B. als Nebenprodukt einer additiven Fertigung entstanden sind.
Eine „Grobpartikelfraktion“ kann insbesondere über einen bestimmten „Grenzkorndurchmesser“ von im Prozessgas mitgeführten Partikeln definiert sein. Ein „Grenzkorndurchmesser“ bezeichnet einen Durchmesser von bestimmten Partikeln, deren Abscheidegrad bzw. Abscheideverhältnis durch den Partikelabscheider im Betrieb näherungsweise 50% beträgt. Die Abscheiderate bezieht sich auf die Quantität der betreffenden Partikel im Prozessgas beim Eintritt des Prozessgases in den Partikelabscheider bzw. beim Austritt aus dem Partikelabscheider. Mit anderen Worten kann etwa die Hälfte der Partikel, deren Durchmesser näherungsweise einem bestimmten Grenzkorndurchmesser entspricht, im Betrieb über den Partikelabscheider aus dem Prozessgasstrom abgeschieden werden.
Ein jeweiliger Grenzkorndurchmesser ist eine Größe, die zumindest von der konstruktiven Ausgestaltung und den Betriebsparametern des Partikelabscheiders abhängen kann. Das bedeutet, dass der Partikelabscheider dazu ausgebildet, insbesondere dazu ausgelegt, sein kann, um im Betrieb einen bestimmten Grenzkorndurchmesser zu erreichen, d.h. um Partikel ab einer definierten Größe, abhängig von einem gewählten Grenzkorndurchmesser, zu mindestens 50% aus dem Prozessgas abzuscheiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Partikelabscheider kann eine Grobpartikelfraktion vorzugsweise darüber definiert sein, dass im Betrieb ein Grenzkorndurchmesser zumindest 1 Mik- rometer (pm) ist und/oder darüber, dass ein Grenzkorndurchmesser höchstens 20 pm ist. Dies wird später näher beschrieben.
Der Partikelabscheider kann bevorzugt so ausgebildet sein, dass im Betrieb eine möglichst hohe Trennschärfe bei der Abscheidung der Grobpartikelfraktion erreicht wird. Bevorzugt kann die Trennschärfe so definiert sein und/oder der Partikelabscheider kann so realisiert sein, dass bezogen auf einen bestimmten Grenzkorndurchmesser zumindest 90% der Partikel, vorzugsweise zumindest 95% der Partikel, bevorzugt zumindest 99% der Partikel, insbesondere im Wesentlichen alle Partikel, die über den Partikelabscheider aus dem Prozessgas abgeschieden werden, der Grobpartikelfraktion zugeordnet sind.
Der Partikelabscheider kann insbesondere ein Massenkraftabscheider sein bzw. kann nach dem Prinzip eines Massenkraftabscheiders arbeiten. Entsprechend kann der Partikelabscheider ein Schwerkraftabscheider, ein Trägheitsabscheider oder ein Fliehkraftabscheider sein und/oder kann nach dem jeweiligen Prinzip arbeiten.
Der Partikelabscheider umfasst einen Hauptströmungsleitkörper für Prozessgas. Der Hauptströmungsleitkörper kann je nach Ausführung auch als Rotationshauptkörper oder Wirbelkammer bezeichnet werden. Der Hauptströmungsleitkörper ist, ungeachtet der konkreten Ausgestaltung, dazu ausgebildet, um bei bestimmungsgemäßer Durchströmung mit Prozessgas eine Grobpartikelfraktion aus dem Prozessgas abzutrennen.
Als weiteres Element weist der Partikelabscheider ein Einlasselement auf, das dazu ausgebildet ist, um das aus einer additiven Fertigungsvorrichtung austretende Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper, vorzugsweise gerichtet, einzubringen. Dazu kann das Einlasselement an einer Seite mit dem Hauptströmungsleitkörper und an einer anderen Seite mit der additiven Fertigungsvorrichtung und/oder mit einer Prozessgaszuführung verbunden sein, z.B. mit entsprechenden Rohrleitungen für Prozessgas.
Der Partikelabscheider weist weiterhin ein Auslasselement für Prozessgas auf, das dazu ausgebildet ist, um das Prozessgas nach einer bestimmungsgemäßen Durchströmung des Hauptströmungsleitkörpers aus dem Hauptströmungsleitkörper, vorzugsweise gerichtet, abzuführen. Im Betrieb des Partikelabscheiders kann das Prozessgas, insbesondere umfassend eine Feinpartikelfraktion, über das Auslasselement aus dem Partikelabscheider austreten und/oder einer Filtereinrichtung zugeführt werden. Der Partikelabscheider umfasst bevorzugt ein Austrittselement für eine Grobpartikelfraktion, das dazu ausgebildet ist, um die im Hauptströmungsleitkörper abgeschiedene Grobpartikelfraktion aus dem Hauptströmungsleitkörper abzuführen. Das Austrittselement kann Teil des Hauptströmungsleitkörpers sein oder kann separat ausgebildet und, bevorzugt fest, mit dem Hauptströmungsleitkörper verbunden sein. Bevorzugt kann das Austrittselement mit einem Sammelbehälter verbunden sein, wie später beschrieben wird.
Je nach Ausführung kann das Austrittselement Teil eines konischen Bereichs des Partikelabscheiders sein und/oder kann mit einem konischen Bereich des Partikelabscheiders verbunden sein. Der konische Bereich des Partikelabscheiders kann sich vorzugsweise an einen im Wesentlichen zylinderartigen bzw. rotationssymmetrischen Bereich des Hauptströmungsleitkörpers anschließen, insbesondere an eine Wirbelkammer des Hauptströmungsleitkörpers. Bevorzugt ist der konische Bereich rotationssymmetrisch ausgebildet. Weiter bevorzugt kann der konische Bereich Teil des Hauptströmungsleitkörpers des Partikelabscheiders sein. Ein solcher konischer Bereich mit einem Austrittselement kann z.B. bei einem Fliehkraftabscheider bzw. Zyklonabscheider vorgesehen sein, insbesondere bei einem Zyklon mit Umkehr der Axialströmung (Gegenstromzyklon). Sofern ein Zyklon ohne Umkehr der Axialströmung (Gleichstromzyklon) oder ein anderer Massenkraftabscheider als Partikelabscheider eingesetzt wird, kann auf den konischen Bereich verzichtet werden, wobei dennoch vorzugsweise zumindest ein Austrittselement zur Abführung der Grobpartikelfraktion aus dem Hauptströmungsleitkörper vorgesehen ist. In der Beschreibung der Erfindung wird - sofern nicht anders erwähnt und ohne eine Beschränkung darauf - davon ausgegangen, dass der Partikelabscheider ein Zyklonabscheider mit Umkehr der Axialströmung mit einem konischen Bereich und einem daran angeordneten Austrittselement ist, da sich dabei besondere Vorteile ergeben können.
Erfindungsgemäß umfasst der Partikelabscheider - ungeachtet der konkreten Ausführungsform - zumindest ein Haftreduzierungselement. Ein Haftreduzierungselement ist insbesondere dazu ausgebildet, um eine Anzahl von im Prozessgas mitgeführten Partikeln einer Feinpartikelfraktion, die im Betrieb an einer beströmten, insbesondere an einer strömungsführenden, Oberfläche des Partikelabscheiders anhaften, zu reduzieren, insbesondere gegenüber einem Partikelabscheider ohne ein Haftreduzierungselement.
Ein Haftreduzierungs- bzw. Haftungsreduzierungselement kann zumindest ein Temperierelement aufweisen, das dazu ausgebildet ist, um zumindest einen zugeordneten Teilbereich einer Gehäusewandung des Partikelabscheiders, welcher Teilbereich im Betrieb zumindest zeitweise von Prozessgas beströmt ist, insbesondere ein strömungsführender Teilbereich der Gehäusewandung, zu temperieren. Der temperierte Teilbereich der Gehäusewandung kann insbesondere darüber definiert sein, dass der Teilbereich im Betrieb zumindest zeitweise mit Prozessgas beaufschlagt wird. Unter „Temperieren“ wird vorzugsweise verstanden, dass im Betrieb in dem temperierten Teilbereich ein bestimmter Temperaturgradient zwischen dem Prozessgas und dem Partikelabscheider erreicht wird und/oder eine bestimmte Temperatur im Betrieb des Partikelabscheiders erreicht und/oder möglichst konstant gehalten wird.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Haftreduzierungselement wenigstens ein Element zur Strömungsführung aufweisen. Ein solches Strömungsführungselement ist dazu ausgebildet, um das Prozessgas einer additiven Fertigungsvorrichtung in Form von zumindest zwei, vorzugsweise zumindest abschnittsweise räumlich voneinander getrennten, Teilströmen in den, bevorzugt im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper einzubringen.
Vorteilhafterweise kann über den erfindungsgemäßen Partikelabscheider eine Grobpartikelfraktion aus dem Prozessgas für eine Rückgewinnung einer nutzbaren Pulverfraktion abgetrennt werden, wobei durch das Haftreduzierungselement ein Anhaften von Feinpartikeln einer Feinpartikelfraktion des Prozessgases an beströmten, insbesondere an strömungsführenden bzw. strömungsleitenden, Oberflächen des Partikelabscheiders möglichst geringgehalten oder vermieden werden kann. Entsprechend seiner Funktion kann der Partikelabscheider auch als Vorabscheider, Grobpartikelabscheider oder Trennvorrichtung bezeichnet werden. Der Grobpartikelabscheider ist erfindungsgemäß zur Abscheidung der Grobpartikelfraktion ausgebildet, wobei die Feinpartikelfraktion des Prozessgases beim Durchströmen des Partikelabscheiders im Wesentlichen vollständig im Prozessgas gehalten werden kann, wobei die Feinpartikelfraktion vorzugsweise über eine stromabwärts liegende Filtereinrichtung bzw. eine Prozessgasaufbereitung aus dem Prozessgas entfernt werden kann.
Der Partikelabscheider ist speziell zum Zusammenwirken mit einer additiven Fertigungsvorrichtung ausgebildet, wobei eine additive Fertigungsvorrichtung im Betrieb besondere technische Anforderungen an den Partikelabscheider stellt. Insbesondere sollten die Druckverluste beim Durchströmen des Partikelabscheiders möglichst gering sein, um eine Schädigung der additiven Fertigungsvorrichtung zu vermeiden. Entsprechend muss der Partikelabscheider konstruktiv besonders an eine additive Fertigungsvorrichtung bzw. Fertigungsmaschine angepasst sein, wobei z.B. eine Strömungsgeschwindigkeit von Prozessgas beim Eintritt in den Hauptströmungsleitkörper vergleichsweise gering ist und/oder ein Durchmesser des Hauptströmungsleitkörpers vergleichsweise groß ist (gegenüber bekannten Abscheidevorrichtungen). Diese konstruktiven Anpassungen können ein Anhaften von Feinpartikeln beim Durchströmen des Partikelabscheiders begünstigen.
Vorteilhafterweise kann durch ein Haftreduzierungselement ein Mittel bereitgestellt werden, um eine Neigung und/oder eine Fähigkeit von Partikeln einer Feinpartikelfraktion zur Anhaftung im Betrieb um ein gewisses Maß zu reduzieren. Unter der „Feinpartikelfraktion“ bzw. Feinpartikeln werden die (Fein-)Partikel im Prozessgas verstanden, deren Durchmesser weniger als 1 pm beträgt.
Vorteilhafterweise kann über ein Temperierelement im Betrieb ein Temperaturgradient bzw. ein Temperaturunterschied zwischen dem Prozessgas einer additiven Fertigungsvorrichtung und einer strömungsführenden Gehäusewandung des Partikelabscheiders reduziert werden, wobei dadurch z.B. der Effekt der Thermophorese, der insbesondere die Feinpartikelfraktion betrifft, gegenüber untemperierten Abscheidevorrichtungen deutlich reduziert werden kann. Dadurch können Anhaftungen der Feinpartikelfraktion an Oberflächen des Partikelabscheiders gegenüber bekannten Abscheidevorrichtungen erheblich verringert oder sogar vollständig vermieden werden. Vorteilhafterweise kann ein Anhaften von Feinpartikeln durch das Temperierelement auch ohne aktive Beheizung des Partikelabscheiders zumindest reduziert werden.
Bei einem Partikelabscheider mit einem Strömungsführungselement kann das aus einer additiven Fertigungsmaschine austretende Prozessgas gezielt so in den Partikelabscheider hinein und/oder gezielt so hindurchgeführt werden, dass möglichst alle mit Strömung beaufschlagten Bereiche des Partikelabscheiders im Betrieb derart mit Prozessgas angeströmt werden, z.B. mit einem ausreichend starken Prozessgasstrom, dass Anhaftungen der Feinpartikelfraktion verringert oder vermieden werden. Beispielsweise kann das Strömungsführungselement so ausgebildet sein, dass in den mit Prozessgasströmung beaufschlagten Bereichen des Partikelabscheiders eine bestimmte Mindestwandschubspannung anliegt, um Anhaftungen der Feinpartikelfraktion zu reduzieren oder zu vermeiden. Auch dadurch lassen sich die eingangs genannten Nachteile wenigstens zum Teil reduzieren oder vermeiden. Besondere Vorteile der Erfindung können sich bei einem Partikelabscheider mit einer Kombination aus zumindest einem Temperierelement und einem Strömungsführungselement ergeben, da sich die vorteilhaften Effekte der beiden Merkmale synergistisch ergänzen können.
Ein erfindungsgemäßes Partikelabscheidesystem umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Partikelabscheider. Weiterhin kann das Partikelabscheidesystem wenigstens einen Sammelbehälter für eine Grobpartikelfraktion eines Prozessgases aufweisen. Die Grobpartikelfraktion wurde aus einem Prozessgas einer additiven Fertigungsmaschine abgetrennt, welches Prozessgas den Partikelabscheider im Betrieb bestimmungsgemäß durchströmt. Der Sammelbehälter bzw. Auffangbehälter ist dem Partikelabscheider zumindest zeitweise zugeordnet, insbesondere zur Aufnahme der abgetrennten Grobpartikelfraktion. Vorzugsweise kann der Auffangbehälter einen steuerbaren Verschlussmechanismus gegenüber einer Umgebung haben. Bevorzugt kann der Auffangbehälter eine Koppelstelle für ein Fördermodul haben, wobei über die Koppelstelle eine reversible Verbindung mit einem Fördermodul herstellbar ist, insbesondere zur Überführung einer Grobpartikelfraktion aus dem Auffangbehälter in das Fördermodul.
Alternativ oder zusätzlich kann das Partikelabscheidesystem ein Fördermodul aufweisen, das dem Partikelabscheider zumindest zeitweise zugeordnet ist. Das Fördermodul und/oder das Partikelabscheidesystem, insbesondere ein Sammelbehälter des Partikelabscheidesystems, können dazu ausgebildet sein und/oder so Zusammenwirken, um eine Grobpartikelfraktion, vorzugsweise im laufenden Betrieb des Partikelabscheiders, aus einem Sammelbehälter des Partikelabscheidesystems zu entfernen. Bevorzugt kann das Fördermodul eine Koppelstelle haben, die mit der Koppelstelle des Auffangbehälters zur Ausbildung einer reversiblen Verbindung Zusammenwirken kann. Bevorzugt ist das Fördermodul ansteuerbar so ausgebildet, dass die reversible Verbindung mit dem Sammelbehälter, insbesondere die Entnahme der Grobpartikelfraktion aus dem Sammelbehälter, in einem automatisierten Prozess durchgeführt wird, d.h. ohne direktes manuelles Zutun.
Alternativ oder zusätzlich kann die abgetrennte Grobpartikelfraktion manuell aus dem Sammelbehälter entnommen werden, vorzugsweise durch Absaugen, insbesondere während einer Betriebspause des Partikelabscheiders.
Ein erfindungsgemäßes additives Fertigungssystem umfasst zumindest eine additive Fertigungsvorrichtung zur Fertigung wenigstens einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils bzw. Fertigungsprodukts in einem additiven Fertigungsprozess. Die additive Fertigungsvorrichtung weist wenigstens eine Zuführvorrichtung zum Einbringen zumindest einer Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum bzw. eine Prozesskammer, eine Bestrahlungseinheit zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels der Bestrahlungseinheit, eine Steuereinheit zur Steuerung der Vorrichtung und eine Prozessgasabführeinrichtung auf. Die Prozessgasabführeinrichtung umfasst vorzugsweise zumindest eine von additiven Fertigungsprozessen bekannte Filtereinrichtung bzw. Prozessgasaufbereitung zur Aufreinigung des Prozessgases, insbesondere zur Aufbereitung von Prozessgas für eine Wiederverwendung in der additiven Fertigungsvorrichtung, z.B. ein Umluftfiltersystem mit einer Anzahl von Filterelementen. Die Prozessgasabführeinrichtung kann z.B. Gebläse und/oder strömungsführende Mittel aufweisen, um einen gerichteten Prozessgasstrom im Prozessraum zu erzeugen. Bevorzugt kann die Prozessgasabführeinrichtung Leitungen für das Prozessgas aufweisen, um das Prozessgas zwischen der Filtereinrichtung und/oder der additiven Fertigungsvorrichtung und/oder einem Partikelabscheider zu transportieren. Entsprechend kann die Prozessgasabführeinrichtung auch dazu ausgebildet sein, um mittels der Filtereinrichtung aufgereinigtes Prozessgas in den Prozessraum einzubringen. Die Prozessgasabführeinrichtung kann zumindest teilweise auch räumlich getrennt von der additiven Fertigungsvorrichtung ausgebildet sein. Das additive Fertigungssystem weist weiterhin zumindest einen erfindungsgemäßen Partikelabscheider auf, insbesondere wenigstens ein erfindungsgemäßes Partikelabscheidesystem.
Ein erfindungsgemäßes Prozessgasreinigungsverfahren zum Reinigen von Prozessgas zumindest einer additiven Fertigungsvorrichtung, insbesondere Prozessgas, das bei einer additiven Fertigung bzw. im Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung mit (Verschmut- zungs-)Partikeln angereichert wird, wird so durchgeführt, dass zumindest ein Teil des Prozessgases zum Abtrennen einer Grobpartikelfraktion aus dem Prozessgas einem Partikelabscheider zugeführt wird, insbesondere einem erfindungsgemäßen Partikelabscheider und/oder einem erfindungsgemäßen Partikelabscheidesystem. Bevorzugt wird das Verfahren so durchgeführt, dass zumindest ein mit Prozessgas beströmter Teilbereich einer Gehäusewandung des Partikelabscheiders temperiert wird. Bevorzugt kann zumindest ein mit Prozessgas beströmter Teilbereich mittels eines Haftreduzierungselements des Partikelabscheiders umfassend wenigstens ein Temperierelement temperiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann mittels wenigstens eines Elements zur Strömungsführung das Prozessgas mit zumindest zwei Teilströmen in einen, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper des Partikelabscheiders eingebracht werden. Vorzugsweise kann das Prozessgas über ein Haftreduzierungselement des Partikelabscheiders umfassend wenigstens ein Element zur Strömungsführung mit zumindest zwei Teilströmen in den Hauptströmungsleitkörper eingebracht werden.
Optional kann in dem Verfahren eine Rückführung zumindest eines Teils einer aus dem Prozessgas abgetrennten Grobpartikelfraktion erfolgen, vorzugsweise zur Nutzung in einer additiven Fertigungsvorrichtung. Beispielsweise kann die abgetrennte Grobpartikelfraktion zumindest teilweise als Aufbaumaterial in denselben additiven Fertigungsprozess eingesetzt werden, aus dem das mittels des Prozessgasreinigungsverfahrens gereinigte Prozessgas stammt.
Optional kann in dem Verfahren zumindest ein Teil des Prozessgases der additiven Fertigungsvorrichtung einer Filtereinrichtung zur Aufbereitung zugeführt werden, vorzugsweise nach einem Durchströmen des Partikelabscheiders. Es ist auch möglich, dass ein Teil des Prozessgases der additiven Fertigungsvorrichtung zur Aufbereitung direkt der Filtereinrichtung zugeführt wird. Die Filtereinrichtung kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, um das zugeführte Prozessgas für eine Wiederverwendung in der additiven Fertigungsvorrichtung aufzubereiten. Die Filtereinrichtung kann vorzugsweise Teil eines zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen additiven Fertigungssystems sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Steuerung einer additiven Fertigung wenigstens einer Bauteilschicht zumindest eines Bauteils in einem Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials in einen Prozessraum einer additiven Fertigungsvorrichtung eingebracht wird und das Aufbaumaterial der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit selektiv verfestigt wird, wird so durchgeführt, dass zumindest ein Teil eines Prozessgases der additiven Fertigung, insbesondere Prozessgas, das bei der additiven Fertigung bzw. im Betrieb der additiven Fertigungsvorrichtung mit (Verschmutzungs-)Partikeln angereichert wird, gemäß einem erfindungsgemäßen Prozessgasreinigungsverfahren gereinigt wird. Insbesondere kann zumindest ein Teil eines solchen Prozessgases aus der additiven Fertigung einem erfindungsgemäßen Partikelabscheider zugeführt werden, um über den Partikelabscheider eine Grobpartikelfraktion aus dem Prozessgas abzutrennen. Das beschriebene Verfahren zur Steuerung der additiven Fertigung kann insbesondere zur Steuerung einer additiven Fertigungsvorrichtung und/oder eines additiven Fertigungssystems ausgebildet sein, wobei die einzelnen Verfahrensschritte dann über die Fertigungsvorrichtung bzw. das Fertigungssystem ausgeführt werden.
Vorteilhafterweise basieren das Partikelabscheidesystem, das additive Fertigungssystem, das Prozessgasreinigungsverfahren und das Verfahren zur Steuerung der additiven Fertigung auf einem erfindungsgemäßen Partikelabscheider, so dass sich die für den Partikelabscheider beschriebenen vorteilhaften Effekte auch für diese Systeme bzw. für die Verfahren ergeben.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen und Ausführungsbeispielen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können und insbesondere auch einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele bzw. Varianten zu neuen Ausführungsbeispielen bzw. Varianten kombiniert werden können.
Die im Prozessgasstrom mitgeführten Partikel können eine bestimmte Größenverteilung aufweisen, wobei die Größenverteilung vorzugsweise bestimmte Quantile aufweist. Entsprechend kann der Partikelabscheider so ausgebildet sein, dass im Betrieb ein Grenzkorndurchmesser kleiner ist als das 10. Perzentil der Partikelgröße (auch bezeichnet als d10) einer abzutrennenden Grobpartikelfraktion und/oder größer ist, als das 90. Perzentil der Partikelgröße (auch bezeichnet als d90) einer Feinpartikelfraktion im Prozessgas.
Vorzugsweise kann eine Grobpartikelfraktion des Prozessgases so definiert sein, dass ein Grenzkorndurchmesser im Betrieb des Partikelabscheiders zumindest etwa 1 pm, bevorzugt zumindest etwa 3 pm, besonders bevorzugt zumindest etwa 4 pm, insbesondere etwa 5 pm, ist. Ein Grenzkorndurchmesser kann vorzugsweise höchstens etwa 20 pm, bevorzugt höchstens etwa 15 pm, weiter bevorzugt höchstens etwa 10 pm, besonders bevorzugt höchstens etwa 8 pm, insbesondere höchstens etwa 7 pm, sein. Bevorzugt kann es sich bei den genannten Durchmessern jeweils um einen „aerodynamisch äquivalenten Durchmesser“ von Partikeln handeln.
Da die im Prozessgas mitgeführten Partikel der Grobpartikelfraktion und der Feinpartikelfraktion häufig keine ideale Kugelform haben, kann eine Modellierung des Partikelabscheiders erfolgen, vorzugsweise unter Berücksichtigung eines „aerodynamisch äquiva- lenten Durchmessers“ eines jeweiligen Partikels. Der „aerodynamisch äquivalente Durchmesser“ eines bestimmten Partikels ist so definiert, dass sich dieser Partikel beim Durchströmen des Partikelabscheiders in etwa gleich zu einem zugeordneten (ideal) kugelförmigen Partikel verhält; insbesondere zu einem Pulverpartikel mit einem bestimmten Durchmesser und einer bestimmten Dichte. Beispielsweise kann ein Partikel mit einem aerodynamisch äquivalenten Durchmesser von 5 pm ein vergleichbares Strömungsverhalten im Partikelabscheider haben wie ein (ideal) kugelförmiger Partikel mit einem Durchmesser von 5 pm.
Vorzugsweise kann ein bestimmter Grenzkorndurchmesser durch einen zugeordneten aerodynamisch äquivalenten Durchmesser definiert sein. Entsprechend kann der Partikelabscheider dazu ausgebildet sein, um im Betrieb zum Erreichen eines bestimmten Grenzkorndurchmessers Partikel abzuscheiden, die einen aerodynamisch äquivalenten Durchmesser (als Grenzkorndurchmesser) von zumindest etwa 1 pm und/oder höchstens etwa 20 pm und/oder einen der zuvor beschriebenen Werte, haben.
Vorzugsweise kann eine Feinpartikelfraktion des Prozessgases so definiert sein, dass ein Durchmesser eines jeweiligen (Fein-)Partikels, insbesondere eines „Primärpartikels“, kleiner als etwa 1000 nm, vorzugsweise kleiner als etwa 500 nm, bevorzugt kleiner als etwa 200 nm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 100 nm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 50 nm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 25 nm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 10 nm, insbesondere 5 nm oder kleiner, ist. Bevorzugt kann es sich bei den genannten Durchmessern jeweils um einen „aerodynamisch äquivalenten Durchmesser“ von Partikeln handeln.
Die (Fein-)Partikel der Feinpartikelfraktion können insbesondere dadurch entstehen, dass im Fertigungsprozess Aufbaumaterial auf Verdampfungstemperatur gebracht wird und zumindest teilweise verdampft. Der Metalldampf kann insbesondere im Prozessgasstrom und in geringerer Menge an einer Prozesskammerwandung bzw. innerhalb einer Prozessgasleitung kondensieren, wobei das (Metall-)Kondensat sich verfestigt und wenigstens teilweise agglomerieren kann. Diese Metallkondensate bzw. Kondensatpartikel sind typischerweise Bestandteile des sog. Laserschweißrauchs.
Je nach Betriebsbedingungen können Metallkondensate zu größeren Partikeln agglomerieren. Es ist deshalb bevorzugt, dass sich die zuvor genannten Durchmesser der (Fein- )Partikel auf „Primärpartikel“ beziehen. Als „Primärpartikel“ werden Metallkondensatparti- kel im Prozessgas bezeichnet, sobald der jeweilige Partikel einen festen Zustand erreicht hat, also insbesondere vor einer möglichen Agglomeration.
Alternativ oder zusätzlich kann die Feinpartikelfraktion des Prozessgases über eine bestimmte (Massen-)Dichte der Partikel definiert sein. Vorzugsweise kann eine Dichte der Feinpartikelfraktion, insbesondere der Agglomerate, deutlich geringer sein, als eine Dichte der Pulverpartikel des Aufbaumaterials.
Insbesondere kann die Feinpartikelfraktion des Prozessgases bzw. die Feinpartikel über eine bestimmte Stokes-Zahl (Sf) definiert sein. Beispielsweise können die Feinpartikel, insbesondere ein jeweiliger Kondensatpartikel, bei einer Dichte von etwa 100 (kg*m-3) und bei einer Partikelgröße bzw. einem Durchmesser von jeweils etwa 1*10'9 (m) unter typischen Arbeitsbedingungen des (Partikel-)Abscheiders eine Stokes-Zahl von etwa 1 ,09*10' 9 haben. Vorzugsweise können die jeweiligen Feinpartikel bei der genannten Dichte und bei einem Durchmesser von etwa 2*10'9 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 2,18*10'9, bevorzugt bei einem Durchmesser von etwa 5*10'9 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 5,50*10'9, haben. Vorzugsweise können die jeweiligen Feinpartikel bei der genannten Dichte und bei einem Durchmesser von etwa 2*10'8 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 2,28*10'8, bevorzugt bei einem Durchmesser von etwa 2*10'7 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 3,63*10'7, weiter bevorzugt bei einem Durchmesser 5*10'7 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 1 ,59*10'6, insbesondere bei einem Durchmesser von etwa 1*10'6 eine Stokes-Zahl von etwa 5,51 *10'6, haben.
Im Vergleich dazu kann ein Stahlpulver als Aufbaumaterial mit einer Dichte von etwa 8030 (kg*m'3) bei einer Partikelgröße von etwa 1*10'6 (m) und bei typischen Arbeitsbedingungen des (Partikel-)Abscheiders eine Stokes-Zahl von etwa 4,42*10'4 haben. Vorzugsweise kann das(-selbe) Aufbaumaterial unter typischen Arbeitsbedingungen des (Partikel- )Abscheiders bei einer Partikelgröße von etwa 2*10'6 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 1 ,64*10'3, bevorzugt bei einem Durchmesser von etwa 1 *10'5 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 3,83*10'2, besonders bevorzugt bei einem Durchmesser von etwa 5*10'5 (m) eine Stokes-Zahl von etwa 9,44*10'1, insbesondere bei einem Durchmesser von etwa 1*10'4 eine Stokes-Zahl von etwa 3,77*10° haben.
Da die Feinpartikel, insbesondere Metallkondensatpartikel, wie erwähnt häufig keine ideale Kugelform haben, kann eine Feinpartikelfraktion vorzugsweise durch einen aerodynamisch äquivalenten Durchmesser der jeweils umfassten Partikel definiert sein. Vorzugs- weise kann die Feinpartikelfraktion solche Feinpartikel umfassen, die im Betrieb des Partikelabscheiders ein im Wesentlichen gleiches Strömungsverhalten zeigen wie (ideal) kugelförmige Partikel, insbesondere Pulverpartikel, mit einem Durchmesser von weniger als etwa 1000 nm, vorzugsweise weniger als etwa 500 nm, bevorzugt weniger als etwa 200 nm, weiter bevorzugt weniger als etwa 100 nm, weiter bevorzugt weniger als etwa 50 nm, weiter bevorzugt weniger als etwa 25 nm, weiter bevorzugt weniger als etwa 10 nm, insbesondere 5 nm oder weniger.
Um Anhaftungen der Feinpartikelfraktion an strömungsführenden Oberflächen des Partikelabscheiders im Betrieb entgegenzuwirken, kann das Temperierelement wenigstens ein Isolierungselement zur thermischen Isolierung zumindest des zugeordneten temperierten Teilbereichs der Gehäusewandung des Partikelabscheiders haben. Insbesondere kann der Teilbereich der Gehäusewandung durch das Isolierungselement gegenüber einer äußeren Umgebung der Gehäusewandung bzw. des Partikelabscheiders thermisch isoliert bzw. gedämmt werden. Als Gehäusewandung wird eine Wand des Partikelabscheiders bezeichnet, über die ein Grundkörper des Partikelabscheiders ausgebildet ist, insbesondere das Einlasselement, der Hauptströmungsleitkörper und das Auslasselement, sowie ggf. noch weitere Elemente, wie z.B. das Austrittselement.
Das Temperierelement kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, um zwei oder mehr, auch räumlich getrennte, Teilbereiche der Gehäusewandung zu temperieren. Bevorzugt können zumindest zwei Teilbereiche der Gehäusewandung auf unterschiedliche Temperaturen temperiert werden. Entsprechend kann das Temperierelement vorzugsweise zwei oder mehr, auch separate, Isolierungselemente umfassen. Bevorzugt kann einem jeweiligen Isolierungselement ein bestimmter Teilbereich zur Temperierung zugeordnet sein.
Bevorzugt ist das (jeweilige) Isolierungselement so ausgebildet, dass im Betrieb des Partikelabscheiders eine Oberflächentemperatur einer innenliegenden Gehäusewandung zumindest im temperierten Teilbereich maximal 5 °C, vorzugsweise maximal 4 °C, bevorzugt maximal 3 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C, insbesondere maximal 1 °C oder weniger, geringer ist als eine Prozessgastemperatur des vorbeiströmenden Prozessgases und/oder geringer ist als eine Temperatur der Feinpartikelfraktion im Prozessgas.
Das Isolierungselement kann z.B. einen EPDM-Schaumstoff, ein Filz, ein Polyestervlies, Glaswolle, Steinwolle, Hanffasern, Flachsfasern, Holzwolle, Schafwolle (bzw. jeweils Matten aus diesen Materialien), synthetische Fasermatten, Kunststoffschäume, mineralische Schäume und/oder Mischungen daraus aufweisen. Vorzugsweise kann das Isolierungselement von außen auf der Gehäusewandung angeordnet sein, um einen bestimmten Teilbereich, insbesondere eine innenliegende Gehäusewandung, zu temperieren.
Bevorzugt kann das Temperierelement, insbesondere das Isolierungselement und/oder ein Heizelement, dazu ausgebildet und/oder so angeordnet sein, dass der zumindest eine temperierte Teilbereich der Gehäusewandung im Wesentlichen orthogonal bzw. normal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Betrieb im Partikelabscheider angeordnet ist, insbesondere in Bezug auf eine Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper und/oder im Auslasselement. Anders ausgedrückt kann der zumindest eine temperierte Teilbereich im Wesentlichen parallel zu einem Fliehkraftvektor angeordnet sein, welcher Fliehkraftvektor von der Hauptrotationsachse des Prozessgases im Wesentlichen orthogonal ausgeht bzw. davon normal weg zeigt.
Unter der „Hauptrotationsachse“ wird eine gedachte Achse verstanden, um die das Prozessgas im Betrieb, d.h. beim bestimmungsgemäßen Durchströmen des Partikelabscheiders, gemäß einer Hauptströmungsrichtung des Prozessgases rotiert, insbesondere beim Durchströmen des Hauptströmungsleitkörpers und/oder des Auslasselements. Die Hauptströmungsrichtung entspricht einer mittleren Strömungsrichtung von Prozessgas im Partikelabscheider, wobei die mittlere Strömung auch bei ggf. auftretenden überlagerten Fluktuationen (Turbulenzen) und/oder ggf. auftretenden periodischen Störungen (z.B. „precessing vortex core“) weitestgehend konstant bleiben kann. Im Betrieb kann das partikelbeladene Prozessgas über das Einlasselement in den Partikelabscheider eintreten und kann sich dann zur Abscheidung der Grobpartikelfraktion auf einer annähernd helixartigen Bahn durch den Partikelabscheider, insbesondere durch den Hauptströmungsleitkörper, bewegen. Vorzugsweise rotiert der Prozessgasstrom auf Grund der helixartigen Strömungsbewegung um die Hauptrotationsachse.
Je nach Bauart kann das Prozessgas durch einen optionalen konischen Bereich bzw. einen Abscheidekonus nach innen zur Hauptrotationsachse hin gezwungen werden, wobei die Axialkomponente der helixförmigen Strömung geändert wird, so dass das Prozessgas in Richtung des Auslasselements strömt.
Alternativ könnte das Prozessgas auch ohne Strömungsumkehr aus dem Hauptströmungsleitkörper ausgeleitet werden. Die abgetrennte Grobpartikelfraktion kann über das Austrittselement, das z.B. mit dem Abscheidekonus verbunden ist, und einen sich daran anschließenden Sammelbehälter abgeführt werden.
Der Begriff „im Wesentlichen orthogonal“ zur Hauptrotationsachse ist so zu verstehen, dass der zumindest eine temperierte Teilbereich, insbesondere ein Bereich, auf welchem bzw. entlang welchem im Betrieb zumindest zeitweise eine Prozessgasströmung geleitet wird, auch um einen gewissen Winkel gegenüber der Hauptrotationsachse verkippt angeordnet sein kann. Beispielsweise kann der temperierte Teilbereich um einen Winkel von höchstens etwa 20°, vorzugsweise höchstens etwa 10°, bevorzugt höchstens etwa 5° oder weniger gegenüber der Hauptrotationsachse geneigt sein. Beispielsweise könnte der temperierte Teilbereich im Betrieb im Wesentlichen parallel zu einer Prozessgaszuführung in den Partikelabscheider sein, z.B. überwiegend parallel zu entsprechenden Zuführleitungen und/oder überwiegend parallel zum Einlasselement.
Vorteilhafterweise kann über die Temperierung von bestimmten Teilbereichen der Gehäusewandung das Auftreten von Anhaftungen auf möglichst effiziente Weise verringert oder vermieden werden. Vorteilhafterweise können gezielt solche Abschnitte des Partikelabscheiders temperiert werden, die z.B. auf Grund der Strömungscharakteristik im Partikelabscheider besonders anfällig für Anhaftungen von Feinpartikeln sind, auch bezeichnet als „kritische Bereiche“. Kritische Bereiche sind insbesondere solche Bereiche der innenliegenden Gehäusewandung, in denen bei bestimmungsgemäßer Durchströmung des Partikelabscheiders eine vergleichsweise geringe Strömungsgeschwindigkeit von Prozessgas und/oder eine vergleichsweise geringe Wandschubspannung anliegt (verglichen mit anderen Bereichen der Gehäusewandung). Solche kritischen Bereiche sind insbesondere Flächen, die normal zur Hauptrotationsachse von Prozessgas liegen, da diese Flächen relativ wenig von der Fliehkraft beeinflusst werden, die im Betrieb normal von der Hauptrotationsachse ausgeht, so dass auch das Prozessgas und/oder die Feinpartikel mit weniger kinetischer Energie auf diese Bereiche auftreffen, was ein Anhaften begünstigen kann. Folglich kann gerade eine Temperierung der kritischen Bereiche zu einer erheblichen Reduzierung von Anhaftungen führen, wobei andere Flächen der Gehäusewandung, die außerhalb eines temperierten Teilbereichs liegen, untemperiert bleiben können bzw. kein Temperierungselement aufweisen.
Ein besonderer Vorteil kann sich im Betrieb daraus ergeben, dass zumindest ein temperierter Teilbereich, insbesondere ein Bereich der Gehäusewandung, der im Betrieb zumindest zeitweise mit Prozessgas angeströmt wird bzw. der einer Prozessgasströmung ausgesetzt ist, dem Hauptströmungsleitkörper und/oder zumindest ein temperierter Teilbereich dem Auslasselement für Prozessgas aus dem Partikelabscheider zugeordnet sein kann. Entsprechend kann das Temperierelement mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere kann das Temperierelement mehrere Isolierungselemente und/oder mehrere Heizelemente aufweisen.
Bevorzugt kann zumindest ein temperierter Teilbereich des Hauptströmungsleitkörpers im Wesentlichen orthogonal bzw. normal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper angeordnet sein. Besonders bevorzugt können überwiegend alle (Teil-)Bereiche des Hauptströmungsleitkörpers, die im Betrieb im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper liegen, mittels zumindest eines Temperierelements temperiert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein temperierter Teilbereich des Auslasselements im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Auslasselement angeordnet sein. Die Hauptrotationsachse von Prozessgas im Auslasselement entspricht im Betrieb vorzugsweise der Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper. Besonders bevorzugt können überwiegend alle (Teil-)Bereiche des Auslasselements, die im Betrieb im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Auslasselement liegen, mittels zumindest eines Temperierelements temperiert werden.
Vorteilhafterweise kann durch die Anordnung eines oder mehrerer Temperierelemente speziell in den kritischen Bereichen des Partikelabscheiders ein Anhaften von Feinpartikeln weiter reduziert oder vermieden werden, wobei die temperierten Bereiche auf die kritischen Bereiche begrenzt sein können, was Vorteile bei der Montage, Wartung und Inspektion der Temperierelemente und hinsichtlich der Kosten haben kann. Bei der gezielten Temperierung nur der kritischen Bereiche des Partikelabscheiders handelt es sich vorzugsweise um eine „Mindesttemperierung“, wobei optional noch andere Bereiche temperiert sein können, wie später beschrieben wird. Speziell bei einem Temperierelement in Form eines Isolierungselements kommt der Vorteil hinzu, dass gerade das Isolierungsmaterial günstig zu beschaffen und leicht zu montieren ist. Durch die besondere Positionierung der Temperierelemente (und ggf. weiterer Maßnahmen) kann zur Abscheidung der Grobpartikelfraktion aus dem Prozessgas ein Gegenstromzyklon verwendet werden, wobei diese Art von Abscheidevorrichtung relativ robust und günstig zu betreiben ist. Bei der Verwendung eines Fliehkraftabscheiders ist es grundsätzlich möglich, dass der Fliehkraftabscheider bzw. dessen Längserstreckung im Betrieb gegenüber der Lotrichtung verkippt angeordnet ist. Im Extremfall könnte der Fliehkraftabscheider (Gleich- oder Gegenstromzyklon) auch annähernd orthogonal zur Lotrichtung angeordnet sein. Entsprechend ist es bevorzugt, dass der zumindest eine temperierte Teilbereich auch dann im Wesentlichen normal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Partikelabscheider angeordnet ist, wobei die Hauptrotationsachse dann ebenfalls (deutlich) gegenüber der Lotrichtung verkippt sein kann. Nachfolgend wird die Erfindung - ohne eine Beschränkung darauf - anhand eines stehenden bzw. in Lotrichtung angeordneten Gegenstromzyklons beschrieben, da dies im Betrieb Vorteile mit sich bringen kann. Bei dem beschriebenen Gegenstromzyklon ist die Axialkomponente der Prozessgasströmung nach dem Eintreten in den Hauptströmungsleitkörper im Wesentlichen parallel zur Lotrichtung, bzw. weist in Lotrichtung nach unten, wobei die Grobpartikelfraktion vor allem mittels Schwerkraft in Richtung des Austrittselements, insbesondere in Richtung des Sammel- bzw. Gutkornbehälters transportiert wird.
Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Parallelschaltung und/oder eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Partikelabscheidern möglich. Beispielweise kann ein Partikelabscheidesystem oder ein additives Fertigungssystem eine oder mehrere Parallelschaltungen und/oder eine oder mehrere Reihenschaltungen aus zumindest jeweils zwei Partikelabscheidern aufweisen. Grundsätzlich kann eine jeweilige Parallel- bzw. Reihenschaltung eine Anzahl von Partikelabscheidern umfassen, die nach demselben Prinzip arbeiten. Allerdings können auch unterschiedliche Typen von Partikelabscheidern in Reihe bzw. parallel geschaltet werden, z.B. ein Schwerkraftabscheider, ein Trägheitsabscheider und ein Fliehkraftabscheider. Insbesondere können die Hauptströmungsleitkörper der jeweiligen Massenkraftabscheider in Form einer Reihenschaltung bzw. in Form einer Parallelschaltung angeordnet sein. Zum besseren Verständnis wird die Erfindung, ohne eine Beschränkung darauf, anhand eines einzelnen Partikelabscheiders beschrieben.
Vorzugsweise können auch solche (Teil-)Bereiche des Auslasselements, die im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Hauptrotationsachse von Prozessgas im Auslasselement liegen, mittels zumindest eines Temperierelements temperiert werden. Bevorzugt kann das Auslasselement zumindest abschnittsweise nach der Art eines Zylinders realisiert sein, wobei eine innenliegende Zylindermantelfläche des Auslasselements zumindest teilweise, insbesondere im Wesentlichen vollständig, über ein zugeordnetes Temperierelement temperiert werden kann. Insbesondere kann eine Gehäusewandung des Aus- lasselements, die einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper und einen Deckel des Auslasselements ausbildet, welcher Deckel vorzugsweise im Wesentlichen orthogonal zur Hauptrotationsachse von Prozessgas angeordnet ist, überwiegend vollständig temperiert sein.
Vorteilhafterweise kann über eine kontinuierliche Isolierung der kritischen Bereiche des Hauptströmungsleitkörpers und des Auslasselements sowie der Zylindermantelfläche des Auslasselements eine homogene Temperierung der Gehäusewandung erreicht werden, wobei ein unerwünschtes Abkühlen der kritischen Bereiche verhindert werden kann, z.B. auf Grund von untemperierten Teilbereichen und Wärmeleitung. Weiter vorteilhaft können auch einige oder alle (Teil-)Bereiche des Hauptströmungsleitkörpers, die im Betrieb im Wesentlichen parallel zur Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper liegen, mittels zumindest eines Temperierelements temperiert werden. Vorzugsweise könnte zumindest der Teil der Gehäusewandung, der einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Bereich des Hauptströmungsleitkörpers bildet, insbesondere eine Wirbelkammer, ein Temperierelement aufweisen.
Um die Bildung von Anhaftungen im Betrieb des Partikelabscheiders weiter zu reduzieren, kann das Temperierelement zumindest ein steuerbares Heizelement aufweisen. Das Heizelement ist vorzugsweise dazu ausgebildet, um im Betrieb zumindest den zugeordneten temperierten Teilbereich der Gehäusewandung des Partikelabscheiders zur Temperierung auf eine bestimmte Solltemperatur, insbesondere aktiv, zu erwärmen bzw. zu beheizen. Bevorzugt kann eine innenliegende Gehäusewandung im temperierten Teilbereich auf eine Solltemperatur aktiv erwärmt werden. Mittels des Heizelements kann somit eine „aktive Temperierung“ des zumindest einen Teilbereichs der Gehäusewandung erfolgen.
Das Heizelement ist vorzugsweise Teil des Temperierelements, wobei das Heizelement bevorzugt dazu ausgebildet und/oder so angeordnet ist, dass der zumindest eine erwärmte Teilbereich der Gehäusewandung im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Partikelabscheider, insbesondere in Bezug auf eine Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper und/oder im Auslasselement, angeordnet ist. Es ist auch möglich, dass im Wesentlichen alle Bereiche des Hauptströmungsleitkörpers und/oder des Auslasselements, die im Betrieb im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Partikelabscheider angeordnet sind, mittels zumindest eines Heizelements beheizt werden. Vorzugsweise kann das Temperierelement zwei oder mehr separat zu betreibende Heizelemente aufweisen. Vorzugsweise ist einem jeweiligen zu temperierenden Teilbereich zumindest ein Heizelement zugeordnet. Es ist aber auch möglich, dass einem Teilbereich mehrere separate Heizelemente zugeordnet sind. Ein Heizelement kann z.B. eine Heizfolie umfassen, die von außen auf eine Gehäusewandung aufgebracht wird, um eine innenliegende Gehäusewandung in einem bestimmten Teilbereich zu beheizen. Die Steuerung der Heizelemente kann von einer zugeordneten Steuereinheit ausgeführt werden, z.B. durch eine Steuereinheit einer additiven Fertigungsmaschine.
Bevorzugt kann das (jeweilige) Heizelement dazu ausgebildet sein, um zumindest den einen temperierten Teilbereich der Gehäusewandung des Partikelabscheiders so zu erwärmen bzw. zu beheizen, dass eine Oberflächentemperatur der innenliegenden Gehäusewandung im beheizten Teilbereich wenigstens 1 °C, vorzugsweise wenigstens 3 °C, bevorzugt wenigstens 5 °C, weiter bevorzugt wenigstens 8 °C, weiter bevorzugt wenigstens 9 °C, insbesondere wenigstens 10 °C, und/oder höchstens 35 °C, vorzugsweise höchstens 25 °C, bevorzugt höchstens 20 °C, weiter bevorzugt höchstens 18 °C, weiter bevorzugt höchstens 16 °C, insbesondere höchstens 15 °C, höher ist als eine Prozessgastemperatur des an dem Teilbereich entlang strömenden Prozessgases und/oder höher ist als eine Temperatur der Feinpartikel im Prozessgas.
Beispielsweise könnte eine typische Prozessgastemperatur beim Eintritt in den Partikelabscheider etwa 50 °C sein. Dann könnte ein (temperierter) Teilbereich so beheizt werden, dass die innenliegende Gehäusewandung in diesem Bereich eine Temperatur von wenigstens 50 °C und/oder höchstens 85 °C hat, vorzugsweise eine Temperatur von höchstens 65 °C, bevorzugt eine Temperatur von etwa 60 °C.
Vorteilhafterweise kann durch eine aktive Erwärmung von Flächen der Gehäusewandung, insbesondere in kritischen Bereichen, die Anhaftung von Feinpartikeln im Partikelabscheider weiter reduziert oder vollständig vermieden werden. Insbesondere kann auch bei ungünstigen Betriebsparametern, z.B. bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten von Prozessgas im Partikelabscheider, eine Ablagerung von Feinpartikeln weitestgehend vermieden werden, wobei insbesondere der Effekt der Thermophorese abgeschwächt werden kann. Je nach Betriebsparameter, kann der Effekt der Thermophorese durch eine aktive Erwärmung der Gehäusewandung ggf. sogar umgekehrt werden. Dieser vorteilhafte Effekt kann bereits durch eine mäßige Erwärmung der Gehäusewandung von z.B. 5 °C bis 15 °C oberhalb der Prozessgastemperatur erreicht werden, wobei der Energieaufwand vertretbar ist und die additive Fertigungsvorrichtung nicht in schädigender Weise erhitzt wird.
Ein besonderer Vorteil kann sich bei einem Temperierelement ergeben, das eine Kombination aus zumindest einem Isolierungselement und zumindest einem Heizelement umfasst. Vorzugsweise kann demselben temperierten Teilbereich ein Isolierungselement und ein Heizelement gleichzeitig zugeordnet sein. Beispielsweise kann das Heizelement in das Isolierungselement integriert sein. Dann könnte das Heizelement nur bedarfsweise zugeschaltet werden, z.B. falls eine beginnende Anhaftung festgestellt wird, was sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch auswirken kann. Weiter vorteilhaft ist, dass bei einem solchen Temperierelement eine besonders homogene Temperierung bzw. Erwärmung eines temperierten Teilbereichs erfolgen kann. Es ist aber auch möglich, dass einem ersten Teilbereich ein Isolierungselement und einem anderen, zweiten Teilbereich ein Heizelement zugeordnet ist. Auch eine Kombination der beschriebenen Ausführungsformen ist möglich.
Entsprechend kann, je nach Ausführung, das Temperierelement selbst einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das Temperierelement mehrere zusammenwirkende Teil-Temperierelemente aufweisen, wobei z.B. ein Teil-Temperierelement zur Temperierung zumindest eines Teilbereichs des Hauptströmungsleitkörpers und ein anderes Teil-Temperierelement zur Temperierung zumindest eines Teilbereichs des Auslasselements ausgebildet ist.
Um die Bildung von Anhaftungen weiter zu reduzieren, kann der Hauptströmungsleitkörper, insbesondere bei einem Fliehkraftabscheider, so ausgebildet sein, dass im Inneren des Hauptströmungsleitkörpers ein vollständig freier Hohlraum ausgebildet ist. Insbesondere kann im Bereich einer Trennstrecke des Partikelabscheiders ein vollständig freier Hohlraum ausgebildet sein, d.h. ein Hohlraum ohne Einbauten. Bevorzugt kann der Partikelabscheider, insbesondere der Hauptströmungsleitkörper, „tauchrohrfrei“ ausgebildet sein, wobei der Partikelabscheider kein Tauchrohr im überwiegend zylindrischen Hauptströmungsleitkörper umfasst. Mit anderen Worten kann der Partikelabscheider (im Inneren) im Wesentlichen keine Flächen aufweisen, von denen ein nächstgelegener Fliehkraftvektor weg zeigt. Vorteilhafterweise kann dadurch das Risiko von Anhaftungen weiter verringert werden, da gerade die Flächen eines Massenkraftabscheiders, von denen der Fliehkraftvektor im Betrieb weg zeigt, besonders anfällig für Anhaftungen sind.
Das zuvor beschriebene Temperierelement ist als Teil eines Haftreduzierungselements ausgebildet bzw. kann ein solches auch (alleine) ausbilden. Es ist jedoch bevorzugt, dass ein Haftreduzierungselement eine Kombination von zumindest einem Temperierelement und zumindest einem Element zur Strömungsführung aufweist. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Haftreduzierungselement (alleine) durch ein Element zur Strömungsführung ausgebildet ist. Grundsätzlich kann ein Partikelabscheider zwei oder mehr, auch separate, Haftreduzierungselemente aufweisen. Die jeweiligen Haftreduzierungselemente können unterschiedlich ausgebildet sein.
Ein Element zur Strömungsführung bzw. ein Strömungsführungselement kann dazu ausgebildet sein, um das Prozessgas vor dem Eintritt und/oder beim Eintritt in den Partikelabscheider und/oder im Partikelabscheider in zumindest zwei Teilströme aufzutrennen. Die Teilströme können wenigstens vorübergehend räumlich voneinander getrennt durch den Partikelabscheider geführt werden. Das Strömungsführungselement kann je nach Ausführung als Teil des Einlasselements und/oder des Hauptströmungsleitkörpers und/oder des Auslasselements realisiert sein. Weiterhin kann das Strömungsführungselement auch als separates Bauteil des Partikelabscheiders ausgebildet sein und/oder mit bestimmten Elementen des Partikelabscheiders im Betrieb Zusammenwirken. Entsprechend kann das Strömungsführungselement mehrteilig ausgebildet sein bzw. kann mehrere separate Bauteile umfassen.
Bevorzugt kann das Element zur Strömungsführung so ausgebildet sein, dass im Betrieb des Partikelabscheiders ein erster Teilstrom von Prozessgas an einem ersten diskreten Eintrittsort und ein zweiter Teilstrom von Prozessgas an einem zweiten diskreten Eintrittsort in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper eingebracht wird. Bevorzugt können der erste und/oder der zweite Teilstrom jeweils im Wesentlichen tangential in den Hauptströmungsleitkörper eingeleitet werden. Besonders bevorzugt können der erste Eintrittsort und der zweite Eintrittsort einander diametral gegenüberliegen.
Das Element zur Strömungsführung kann auch so ausgebildet sein, dass das Prozessgas mittels drei oder mehr Teilströmen in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper eingebracht wird. Bevorzugt ist jedem Teilstrom ein separater bzw. diskreter Eintrittsort in den Hauptströmungsleitkörper zugeordnet, um den jeweiligen Teilstrom, insbesondere im Wesentlichen tangential, in den Hauptströmungsleitkörper einzuleiten.
Bevorzugt können die (drei oder mehr) jeweiligen Eintrittsorte für Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper so durch das Strömungsführungselement ausgebildet sein, dass die jeweiligen Teilströme im Wesentlichen gleichmäßig über einen inneren Umfang des, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörpers verteilt in den Hauptströmungsleitkörper eintreten. Besonders bevorzugt können die jeweiligen Eintrittsorte so durch das Strömungsführungselement ausgebildet sein, dass die jeweiligen Teilströme im Wesentlichen gleichmäßig verteilt über einen inneren Umfang einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Wirbelkammer in den Hauptströmungsleitkörper eintreten. Der innere Umfang ergibt sich z.B. bei einer Draufsicht auf einen Querschnitt durch den Hauptströmungsleitkörper, insbesondere durch die Wirbelkammer.
Vorteilhafterweise kann über das Element zur Strömungsführung das Prozessgas möglichst gleichmäßig verteilt in den Hauptströmungsleitkörper, insbesondere in die Wirbelkammer, eingeleitet werden. Dadurch kann erreicht werden, dass wenigstens die kritischen Bereiche, die im Wesentlichen normal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas im Hauptströmungsleitkörper sind, so (stark) mit Prozessgas beaufschlagt werden, dass im Betrieb an diesen Flächen eine bestimmte Mindestwandschubspannung anliegt. Vorteilhafterweise kann durch den „gerasterten“ Einstrom von Prozessgas über drei oder mehr Eintrittsorte besonders zuverlässig erreicht werden, dass möglichst in allen kritischen Bereichen des Hauptströmungsleitkörpers im Betrieb eine bestimmte (Mindest- )Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird und/oder eine bestimmte Mindestwandschubspannung erzeugt wird, so dass Anhaftungen vermieden werden. Vorzugsweise kann das Prozessgas durch das portionsweise Einbringen zumindest in den kritischen Bereichen des Hauptströmungsleitkörpers annähernd parallel zur Gehäusewandung strömen.
Weiter vorteilhaft können durch das gleichmäßige Einbringen des Prozessgases und durch die Einleitung von Teilströmen derart, dass eine Hauptrichtung einer Teilströmung einen möglichst kleinen Winkel zur Gehäusewandung am Punkt des Eintritts in den Hauptströmungsleitkörper einnimmt, d.h. im Wesentlichen tangential, auch bei einem tauchrohrfreien Zyklonabscheider Strömungskurzschlüsse verhindert werden. Unter ei- nem „Strömungskurzschluss“ wird ein (direktes) Wiederaustreten der Prozessgasströmung aus dem Hauptströmungsleitkörper, insbesondere der Wirbelkammer, verstanden, wobei das Prozessgas weniger als eine vollständige Umdrehung gemäß der Helixbewegung durchläuft. Vorzugsweise kann eine horizontale Ausdehnung eines jeweiligen (tangentialen) Einlasses, also eine Ausdehnung im Wesentlichen orthogonal zur Gehäusewandung des vorzugsweise zylindrischen Hauptströmungsleitkörpers möglichst gering sein, so dass möglichst kein Prozessgas (direkt) in einen Verbindungsbereich zum Auslasselement strömt.
Vorteilhafterweise kann der Partikelabscheider durch diese und weitere konstruktive Maßnahmen besonders gut an die technischen Besonderheiten einer additiven Fertigungsvorrichtung angepasst sein, so dass z.B. auch bei vergleichsweise geringen Strömungsgeschwindigkeiten von Prozessgas im Partikelabscheider Anhaftungen zumindest reduziert werden können. Beispielsweise kann eine Strömungsgeschwindigkeit von Prozessgas einer additiven Fertigungsvorrichtung beim Eintritt in den Partikelabscheider etwa 6 m/s oder weniger betragen, wobei bei bekannten Abscheidevorrichtungen üblicherweise Geschwindigkeiten von bis zu 20 m/s erreicht werden, was sich auf die Bildung von Anhaftungen auswirken kann.
Das Element zur Strömungsführung kann ein Prozessgasleitelement bzw. ein (Prozess- gas-)Einlasselement aufweisen, das zumindest teilweise, insbesondere überwiegend vollständig, um einen (äußeren) Umfang des Hauptströmungsleitkörpers herum angeordnet ist, insbesondere am (äußeren) Umfang der im Wesentlichen zylinderartigen Wirbelkammer. Eine Innenquerschnittsfläche des Prozessgasleitelements, die im Wesentlichen orthogonal zu einer (mittleren) Strömungsrichtung von Prozessgas im bzw. durch das Prozessgasleitelement steht, kann entlang der Strömungsrichtung, insbesondere kontinuierlich, abnehmen. Das Prozessgasleitelement kann eine Leitung für Prozessgas mit einem sich verjüngenden Strömungsquerschnitt umfassen, die außen um den Hauptströmungsleitkörper umläuft, z.B. nach der Art einer Schnecke. Die Zuführung von Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper kann mittels einer Anzahl von diskreten Eintrittsorten erfolgen, wobei die Eintrittsorte vorzugsweise gleichmäßig verteilt über den (inneren) Umfang des Hauptströmungsleitkörpers, insbesondere der Wirbelkammer, angeordnet sind.
Vorteilhafterweise kann darüber erreicht werden, dass das Prozessgas möglichst gleichmäßig in den Hauptströmungsleitkörper eingebracht wird, wobei das Prozessgas an einem jeweiligen Eintrittsort eine bestimmte, im Wesentlichen überall gleich große, mittlere Einströmgeschwindigkeit bzw. eine im Wesentlichen gleich große Volumenstromdichte haben kann. Das hat den Vorteil, dass in den kritischen Bereichen im Betrieb eine Mindestwandschubspannung erzeugt und/oder möglichst kontinuierlich aufrechterhalten werden kann.
Alternativ, vorzugsweise zusätzlich, kann das Element zur Strömungsführung ein Prozessgasleitelement aufweisen, das eine Anzahl von, bevorzugt zumindest teilweise verstellbar gelagerten, strömungslenkenden Elementen aufweist. Vorzugsweise kann jeweils ein strömungslenkendes Element einem separaten Eintrittsort von Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper zugeordnet sein. Die strömungslenkenden Elemente können z.B. nach der Art von (verstellbaren) Leitschaufeln ausgebildet sein. Entsprechend kann das Prozessgasleitelement dazu ausgebildet sein, um im Betrieb eine, vorzugsweise lokale, Veränderung einer Innenkontur eines Teils des Partikelabscheiders, insbesondere des überwiegend rotationssymmetrischen Hauptströmungsleitkörpers, zu erreichen, z.B. gegenüber einer Ruheposition des Partikelabscheiders. Eine Ruheposition, die alternativ auch als Ruhezustand, Ausgangsposition oder Neutraleinstellung des Partikelabscheiders bezeichnet werden kann, ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelabscheider (aktuell) nicht von Prozessgas durchströmt wird.
Vorzugsweise können solche Leitschaufeln in Kombination mit einem Prozessgasleitelement mit einem sich verjüngenden Strömungsquerschnitt (Variante „Schnecke“) verwendet werden. Bei dieser Ausführung können die einzelnen Eintrittsorte (nur) durch die jeweiligen Leitschaufeln voneinander getrennt sein. Mit anderen Worten könnte ein jeweiliger Eintrittsort durch zwei benachbarte Leitschaufeln ausgebildet sein.
Vorzugsweise können einige dieser Leitschaufeln, z.B. jede zweite, verstellbar gelagert sein, insbesondere auch separat gegenüber anderen Leitschaufeln. Bevorzugt kann ein bestimmter Winkel zwischen einer jeweiligen Leitschaufel und der (mittleren) Strömungsrichtung von Prozessgas im Prozessgasleitelement eingestellt werden, z.B. in einem automatisierten Prozess mittels einer Steuereinheit.
Vorteilhafterweise kann dadurch im Betrieb der Prozessgaseinstrom in den Hauptströmungsleitkörper (bedarfsgerecht) gesteuert werden, insbesondere auch ortsaufgelöst. Beispielsweise könnte damit einer beginnenden Anhaftung in einem bestimmten Bereich der Gehäusewandung entgegengewirkt werden. Vorzugsweise kann das Prozessgasleitelement, insbesondere die Variante einer Schnecke, und/oder zumindest einige Leitschaufeln dazu ausgebildet sein, um einen bestimmten Teilstrom von Prozessgas tangential so in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper einzubringen, dass ein Winkel zwischen einem Geschwindigkeitsvektor eines jeweiligen Teilstroms und der innenliegenden Gehäusewandung zumindest beim Einbringen von Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper möglichst gering ist.
Alternativ kann das Prozessgasleitelement und/oder das Element zur Strömungsführung auch dazu ausgebildet sein, um einen oder mehrere Prozessgasströme mit einem bestimmten Winkel in Bezug auf die innenliegende Gehäusewandung in den Partikelabscheider einzubringen. Beispielsweise könnte das Prozessgas über einen axialen Einlass in den Partikelabscheider eingebracht werden, wobei eine Rotation des Prozessgases über einen Drallerzeuger, z.B. axial arbeitende Leitschaufeln, als Teil des Strömungsführungselements realisiert ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das Element zur Strömungsführung ein Prozessgasleitelement aufweisen, das zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist. Vorzugsweise kann das Prozessgasleitelement zumindest teilweise, insbesondere überwiegend vollständig, um einen (äußeren) Umfang des Hauptströmungsleitkörpers herum angeordnet sein. Bevorzugt kann das Prozessgasleitelement so ausgebildet sein, dass eine Steigung der Helix derart ist, dass ausgehend von einem ersten Eintrittsort für Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper nach einer vollständigen Umrundung der (Hauptrotati- ons-)Achse durch das Prozessgasleitelement ein axialer Versatz im Wesentlichen einer axialen Ausdehnung des ersten Eintrittsorts entspricht. Vorzugsweise kann der axiale Versatz gerade so groß sein wie die axiale Ausdehnung des (ersten) Eintrittsorts bzw. Einlasses, wobei ein Teilstrom von Prozessgas nach einer Umdrehung bzw. Umrundung durch das Prozessgasleitelement direkt, insbesondere ohne Stufe und/oder ohne Strömungstotgebiete, unter den ersten Einlass geführt wird, so dass der Teilstrom über einen weiteren Einlass in den Hauptströmungsleitkörper eintreten kann.
Vorzugsweise kann ein wenigstens abschnittsweise helixartiges Prozessgasleitelement an einem (äußeren) Umfang des Hauptströmungsleitkörpers angeordnet sein. Es wäre aber auch möglich, dass das Prozessgasleitelement eine Deckeloberfläche des Hauptströmungsleitkörpers umfasst, die zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist. Die Deckeloberfläche kann vorzugsweise ein Bereich der innenliegenden Gehäu- sewandung des Partikelabscheiders sein, insbesondere der Wirbelkammer, der den Hauptströmungsleitkörper in Richtung zum Auslasselement hin begrenzt. Beispielsweise können zumindest Teilbereiche des Hauptströmungsleitkörpers, die im Wesentlichen normal zu einer Hauptrotationsachse angeordnet sind, eine helixartige Struktur aufweisen (als Prozessgasleitelement). Eine solche helixartige Struktur kann vorzugsweise eine dreidimensionale Struktur ausbilden, insbesondere zur Strömungsführung. Anders als zuvor beschrieben kann eine Steigung einer solchen helixartigen Oberflächenstruktur auch vergleichsweise flach sein und kann im Extremfall auch gegen null gehen. Bevorzugt kann ein Prozessgasleitelement eine Kombination aus einem zumindest teilweise helixartig ausgebildeten Prozessgasleitelement und einem sich verjüngenden Strömungsquerschnitt (Variante „Schnecke“) umfassen.
Alternativ oder zusätzlich könnte auch das Einlasselement, z.B. außerhalb des Hauptströmungsleitkörpers, ein derartiges strömungslenkendes Element aufweisen, das zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist, insbesondere in einem Bereich des Einlasselements, der im Betrieb im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse angeordnet ist.
Der Partikelabscheider umfasst vorzugsweise ein Auslasselement zum Austritt von Prozessgas, welches Auslasselement einen, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Grundköper aufweist. Dieser Grundkörper oder Auslasstopf, kann sich an den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper des Partikelabscheiders anschließen. Das Auslasselement kann weiterhin einen, bevorzugt tangential, am Grundkörper angeordneten, insbesondere im Betrieb horizontalen, Austrittsbereich für Prozessgas aus dem Auslasselement aufweisen. Der Austrittsbereich kann mehrteilig ausgebildet sein und/oder kann im Betrieb mit einer Filtereinrichtung einer additiven Fertigungsvorrichtung verbunden sein.
Bevorzugt kann ein Verhältnis zwischen einem (inneren) Durchmesser des Grundkörpers des Auslasselements und einem (inneren) Durchmesser des, vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrischen, Hauptströmungsleitkörpers zumindest etwa 0,25, vorzugsweise zumindest etwa 0,4, bevorzugt zumindest etwa 0,5, insbesondere zumindest etwa 0,533 und/oder höchstens etwa 0,7, vorzugsweise höchstens etwa 0,66, sein. Der (innere) Durchmesser des Grundkörpers des Auslasselements bezieht sich insbesondere auf die Anschlussstelle zwischen Auslasselement und Hauptströmungsleitkörper. Vorteilhafterweise können dadurch die Flächen im Auslasselement, die im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse von Prozessgas im Auslasselement sind, möglichst gering sein, wobei Anhaftungen im Auslasselement entgegengewirkt werden kann. Weiterhin vorteilhaft kann eine axiale Strömungsgeschwindigkeit von Prozessgas im Auslasselement so weit reduziert werden, dass möglichst kein Prozessgas aus dem Hauptströmungsleitkörper angezogen wird, wobei eine Kurzschlussströmung vermieden werden kann, wobei dennoch eine bestimmte Mindestwandschubspannung in möglichst allen strömungsführenden Bereichen des Auslasselements erreicht wird.
Vorzugsweise kann das Auslasselement weiterhin einen Deckel bzw. eine Abdeckung aufweisen, der einem Eintrittsort für Prozessgas in das Auslasselement gegenüberliegt. Insbesondere bei einem Gegenstromzyklon kann das Prozessgas, nachdem durch den Abscheidekonus eine Umkehr der Axialkomponente der Hauptströmung erfolgt ist, vom Hauptströmungsleitkörper über den Eintrittsort in den Grundkörper des Auslasselements eintreten, wobei das Prozessgas sich auf einer helixartigen Bahn bewegt und/oder um die Hauptrotationsachse im Hauptströmungsleitkörper rotiert. Die Hauptrotationsachse im Hauptströmungsleitkörper kann, wie schon beschrieben, im Wesentlichen gleich verlaufen zur Hauptrotationsachse im Auslasselement. Beispielsweise kann bei einem Partikelabscheider in einer Betriebsposition der Hauptströmungsleitkörper in Lotrichtung angeordnet sein, wobei sich nach unten, d.h. in Lotrichtung der Abscheidekonus anschließt, und wobei an einer gegenüberliegenden Seite des Hauptströmungsleitkörpers (nach oben weisend) das Auslasselement angeordnet ist. Dann könnte der Deckel des Auslasselements den oberen Abschluss des Partikelabscheiders bilden und kann z.B. formschlüssig mit dem Auslasstopf Zusammenwirken. Der Deckel kann z.B. als Teil der Gehäusewandung, vorzugsweise abnehmbar, ausgebildet sein. Grundsätzlich könnte der Deckel auch fest mit dem Auslasstopf verbunden sein und/oder als Teil des Auslasstopfs ausgebildet sein.
Bevorzugt kann der Deckel zumindest ein strömungslenkendes Element für Prozessgas aufweisen, welches durch das Element zur Strömungsführung ausgebildet ist. Das Strömungsführungselement kann, wie beschrieben, mehrteilig ausgebildet sein. Entsprechend kann ein (erster) Teil des Strömungsführungselements dem Auslasselement zugeordnet sein, wobei ein anderer (zweiter) Teil des Strömungsführungselements dem Hauptströmungsleitkörper zugeordnet sein kann. Die Zuordnung kann insbesondere so erfolgen, dass im Betrieb ein Teil des Strömungsführungselements eine definierte strömungsleitende Wirkung im Auslasselement entfaltet, wobei ein anderer Teil des Strömungsführungselements eine strömungsleitende Wirkung im Hauptströmungsleitkörper entwickelt. Vorzugsweise kann das strömungslenkende Element des Auslasselements einen im Betrieb von Prozessgas durchströmten Strömungsbereich im Auslasselement verengen, bevorzugt zum Austrittsbereich hin. Beispielsweise kann ein strömungslenkendes Element mittels eines hohlen Kegelstumpfs ausgebildet sein, der sich zum Deckel und/oder zu einem vorzugsweise tangentialen Austrittsbereich hin verjüngt. Vorzugsweise kann darüber ein Strömungsbereich ausgebildet werden, der zumindest teilweise die Form eines Kegelstumpfs hat. Alternativ kann das strömungslenkende Element mittels eines hohlen schiefen bzw. schrägen Kegels realisiert sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das strömungslenkende Element im Auslasselement eine innenliegende Deckeloberfläche des Deckels umfassen, die zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist. Eine Steigung dieser helixartigen Struktur kann vergleichsweise flach sein und kann im Extremfall auch gegen null gehen.
Vorteilhafterweise kann eine helixartig ausgebildete Deckeloberfläche des Auslasselements und/oder des Hauptströmungsleitkörpers dazu beitragen, dass der Prozessgasstrom im Betrieb an solchen Flächen der Gehäusewandung, die im Wesentlichen parallel zu einem Fliehkraftvektor oder orthogonal zur Hauptrotationsachse stehen, entlanggeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann das Auslasselement, insbesondere über das Element zur Strömungsführung, so ausgebildet sein, dass der vorzugsweise tangentiale Austrittsbereich stufenlos gegenüber dem Deckel des Auslasselements ausgebildet ist. Das bedeutet, dass zumindest die aneinander angrenzenden Bereiche der (innenliegenden) Deckeloberfläche und des Austrittsbereichs stufenlos ineinander übergehen können. Entsprechend kann auch das Einlasselement stufenlos gegenüber der (innenliegenden) Deckeloberfläche des Hauptströmungsleitkörpers ausgebildet sein. Bevorzugt können zumindest die aneinander angrenzenden Bereiche der (innenliegenden) Deckeloberfläche der Wirbelkammer und des Einlasselements stufenlos ineinander übergehen.
Bevorzugt kann das Einlasselement zumindest an einem (jeweiligen) Eintrittspunkt von Prozessgas in den Hauptströmungsleitkörper und/oder das Auslasselement an einem Austrittspunkt von Prozessgas aus dem Auslasstopf einen im Wesentlichen eckigen Querschnitt haben. Vorzugsweise kann der Querschnitt des Einlasselements und/oder des Auslasselements ausgehend vom Eintritts- bzw. Austrittspunkt im Verlauf des jeweili- gen Elements (stromaufwärts bzw. stromabwärts) kontinuierlich in einen annähernd runden Querschnitt überführt werden. Vorteilhafterweise kann durch diese besondere Strömungsführung eine dauerhafte oder wiederkehrende Strömungsablösung und das Auftreten von Wirbeln möglichst vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Auslasselement, insbesondere das Element zur Strömungsführung im Auslasselement, eine Anzahl von separaten Austrittsbereichen für Prozessgas aus dem Auslasselement und/oder eine Anzahl von, vorzugsweise verstellbar gelagerten, strömungslenkenden Elementen aufweisen, z.B. eine oder mehrere Leitschaufeln. Zumindest einige der Leitschaufeln können in einem automatisierten Prozess verstellbar ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise kann bei einem solchen „mehrflutigen“ Auslasselement im Betrieb eine möglichst geringe Axialgeschwindigkeit im Auslasselement erreicht werden, wobei darüber eine weitere konstruktive Anpassung des Partikelabscheiders an die Behandlung von Prozessgas aus einer additiven Fertigung erfolgen kann.
Die Gehäusewandung des Partikelabscheiders kann, insbesondere zur Ausbildung von Einlasselement, Hauptströmungsleitkörper und/oder Auslasselement, vorzugsweise aus einem kaltgewalzten Stahlblech gefertigt sein. Bevorzugt kann eine mittlere Rauheit des kaltgewalzten Stahlblechs, insbesondere eine mittlere Rauheit einer innenliegenden Gehäusewandung, einen Wert von etwa 0,4 pm (Ra) haben. Besonders bevorzugt kann zumindest die innenliegende Gehäusewandung mittels einer (stahlkugel-)gestrahlten Edelstahloberfläche realisiert sein.
Dieses Material hat den Vorteil, dass es vergleichsweise günstig zu beschaffen ist und eine Anhaftung von Feinpartikeln zumindest nicht begünstigt.
Optional könnte zumindest ein Teilbereich des Partikelabscheiders, der vorzugsweise im Betrieb im Wesentlichen normal zu einer Hauptrotationsachse von Prozessgas liegt, auch eine für Feinpartikel bzw. Metallkondensate „haftungswidrige“ Beschichtung aufweisen, um ein Anhaften von Feinpartikeln weiter zu reduzieren. Eine haftungswidrige Beschichtung kann z.B. eine DLC-Plasmabeschichtung („Diamond-Like-Carbon“) und/oder eine PTFE-Beschichtung (Polytetrafluorethylen) und/oder eine TiN-Plasmabeschichtung (Titan- Nitrid) und/oder eine Glasbeschichtung und/oder Lotusbeschichtung sein, vorzugsweise auch eine Kombination daraus. Eine solche „haftungswidrige“ Beschichtung könnte z.B. Teil eines Haftreduzierungselements sein.
Der Partikelabscheider kann weitere Mittel aufweisen, um eine Anhaftung von Feinpartikeln bzw. Kondensatpartikeln zu vermeiden und/oder um eine (bestehende) Anhaftung wieder von einer Gehäusewandung abzulösen.
Beispielsweise kann zumindest ein Heizelement steuerbar dazu ausgebildet sein, um darüber eine Anhaftung von Feinpartikeln von zumindest einem Teilbereich einer Gehäusewandung des Partikelabscheiders abzulösen, insbesondere in einem automatisierten Prozess. Vorteilhafterweise kann durch die Erzeugung einer thermischen Spannung eine Anhaftung ohne manuelles Zutun und zu einem bestimmten Zeitpunkt abgelöst werden.
Das Heizelement könnte auch dazu ausgebildet sein, um in einem „Reinigungsmodus“ zur Abreinigung von ggf. vorhanden Anhaftungen eingesetzt zu werden. Beispielsweise könnte dem Partikelabscheider in einem Reinigungsmodus ein reines Prozessgas einer additiven Fertigungsvorrichtung mit einem möglichst hohen bzw. maximalen Volumenstrom zugeführt werden, wobei im Reinigungsmodus keine additive Fertigung in der Vorrichtung erfolgt. Es wäre auch möglich, ein reines Prozessgas in einem Bypass an der additiven Fertigungseinrichtung vorbeizuführen. In Kombination mit dem steuerbaren Heizelement und einer bestimmten Erwärmung von Teilbereichen der Gehäusewandung kann durch den Prozessgasstrom eine kontrollierte Ablösung von Anhaftungen erreicht werden.
Alternativ kann eine Reinigung des Partikelabscheiders auch (einzig) darüber erfolgen, dass der Partikelabscheider mit einem hohen Volumenstrom eines vorzugsweise reinen Prozessgases beaufschlagt wird, um darüber Anhaftungen wieder abzulösen, also ohne aktive Beheizung der Gehäusewandung. Vorzugsweise kann die Reinigung unter Verwendung des Strömungsführungselements erfolgen. Insbesondere kann der Prozessgaseinstrom in den Hauptströmungsleitkörper mittels verstellbarer Leitschaufeln bzw. eines Leitapparats so gesteuert werden, dass darüber Anhaftungen in bestimmten Bereichen der Gehäusewandung abgelöst werden können.
Alternativ oder zusätzlich kann der Partikelabscheider einen, vorzugsweise steuerbaren, Vibrator bzw. Vibrationserzeuger, z.B. einen Kugelvibrator, einen Exzenter, einen Ultraschallanreger etc., aufweisen, der vorzugsweise dazu ausgebildet ist, um den Hauptströmungsleitkörper zum Schwingen in einem bestimmten Frequenzspektrum und/oder mit einer bestimmten Amplitude anzuregen. Eine Vibration im Hauptströmungsleitkörper kann insbesondere im Betrieb des Partikelabscheiders erfolgen, wobei dadurch das Risiko von Anhaftungen weiter reduziert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann der Partikelabscheider so ausgebildet sein, dass ein Impuls eines Gasdruckstoßes im Partikelabscheider dazu nutzbar ist, um an einer innenliegenden Gehäusewandung anhaftendes Metallkondensat zumindest teilweise abzulösen. Vorzugsweise kann ein Gasdruckstoß aus einer Filterabreinigung einer additiven Fertigungsvorrichtung so in den Partikelabscheider eingebracht werden, dass anhaftende Feinpartikel abgelöst werden.
Vorteilhafterweise können über diese Mittel, insbesondere in Kombination mit dem beschriebenen Haftreduzierungselement, im bestimmungsgemäßen Betrieb des Partikelabscheiders ggf. auftretende geringfügige Anhaftungen von Feinpartikeln, z.B. nach einer großen Anzahl von Baujobs oder bei Feinpartikeln mit einer starken Anhaftungsneigung, auf einfache und zeitsparende Weise von der Gehäusewandung entfernt werden.
Der Partikelabscheider kann, wie schon erwähnt, ein Austrittselement für die abgeschiedene Grobpartikelfraktion haben, um die Grobpartikelfraktion, vorzugsweise kontinuierlich im Betrieb, aus dem Hauptströmungsleitkörper abzuführen. Das Austrittselement kann sich an den Hauptströmungsleitkörper anschließen bzw. damit verbunden sein. Bei einem Gegenstromzyklon kann das Austrittselement z.B. mit einem Abscheidekonus als Teil des Hauptströmungsleitkörpers verbunden sein.
Das Austrittselement kann vorzugsweise dazu ausgebildet sein, um die abgetrennte Grobpartikelfraktion in einen Auffangbehälter einzubringen. Vorzugsweise kann das Austrittselement dazu eine Koppelstelle zur reversiblen Kopplung an den Sammelbehälter haben. Die beiden Komponenten können auch dauerhaft verbunden sein, z.B. lösbar miteinander verschraubt sein. Das Austrittselement kann weiterhin einen steuerbaren Verschlussmechanismus haben, um eine Verbindung zwischen dem Partikelabscheider und dem Sammelbehälter zumindest zeitweise zu unterbrechen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Die Figuren sind in der Regel nicht maßstäblich. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Ansicht eines additiven Fertigungssystems gemäß der Erfindung sowie der Gasströme in dem additiven Fertigungssystem,
Figur 2 eine Ansicht eines Partikelabscheiders gemäß der Erfindung,
Figur 3A eine Schnittansicht des Partikelabscheiders aus Figur 2,
Figur 3B eine Ansicht eines Partikelabscheiders gemäß der Erfindung,
Figuren 4 bis 6 Schnittansichten von unterschiedlichen Ausführungsformen eines Partikelabscheiders gemäß der Erfindung,
Figur 7 eine schematische Ansicht einer additiven Fertigungsvorrichtung,
Figur 8A eine schematische Ansicht eines Partikelabscheidesystems gemäß der Erfindung,
Figur 8B eine schematische Ansicht eines Teils eines Partikelabscheidesystems gemäß der Erfindung,
Figur 9 eine Visualisierung einer simulierten Prozessgasströmung mittels Pseudo- Stromlinien in einem Partikelabscheider gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist eine rein schematische Ansicht eines additiven Fertigungssystems 9 gemäß der Erfindung gezeigt. Das additive Fertigungssystem 9 umfasst als wesentliche Komponenten eine additive Fertigungsvorrichtung 5, auch bezeichnet als additive Fertigungsmaschine 5 oder kurz AM-Maschine 5, eine Prozessgasabführeinrichtung 90 mit einer Filtereinrichtung 91 , ein Partikelabscheidesystem 8 und hier eine Weiterverarbeitungseinrichtung 92 für hergestellte Fertigungsprodukte.
Die additive Fertigungsvorrichtung 5 ist beispielhaft und ebenfalls schematisch in Figur 7 näher gezeigt. Die additive Fertigungsvorrichtung 5 umfasst einen Prozessraum 52 bzw. eine Prozesskammer 52 mit einer Kammerwandung 53, um innerhalb des Prozessraums 52 ein Bauteil 51 additiv aufzubauen. Im Inneren der Prozesskammer 52 ist ein entnehmbarer Behälter 54 mit einer Behälterwandung 55 angeordnet. Der Behälter 54 definiert mit seinem nach oben offenen Ende eine Arbeitsebene 56, in der ein Baufeld 57 zum Aufbau des Objekts 51 liegt. Im Inneren des Behälters 54 ist ein in vertikaler Richtung V bewegbarer Träger 58 angeordnet, auf dem hier eine Grundplatte 59 angebracht ist, die den unteren Abschluss des Behälters 54 bildet. Die Grundplatte 59 kann integral mit dem Träger 58 ausgebildet sein oder separat hergestellt und mit dem Träger 58 verbunden sein. In dem hier gezeigten Fall liegt der Grundplatte 59 noch eine Bauplattform 60 auf, auf der das Objekt 51 aufgebaut ist.
Das Bauteil 51 umfasst eine Anzahl von bereits verfestigten Bauteilschichten 5T, wobei im Umfeld des Bauteils 51 unverfestigt gebliebenes Aufbaumaterial 63 angeordnet ist.
Als weitere Komponente umfasst die AM-Maschine 5 einen Vorratsbehälter 62 für (frisches) Aufbaumaterial 61 und einen Beschichter 64 als Teil einer Zuführvorrichtung, der in horizontaler Richtung H bewegbar ist, um das Aufbaumaterial 61 im Baufeld 57 aufzubringen. Im hier gezeigten Beispiel ist innerhalb der Prozesskammer 52 eine optionale Strahlungsheizung 65 angeordnet.
Die AM-Maschine 5 weist weiterhin eine Zuführung für (reines) Prozessgas 50“ in die Prozesskammer 52 auf, wobei das Prozessgas 50“ die Prozesskammer 52 durchströmt und insbesondere in geringem Abstand über das Baufeld 57 geführt werden kann. Bei der Durchströmung der Prozesskammer 52 reichert sich das Prozessgas 50“ mit Verunreinigungen an, z.B. unverfestigtes Aufbaumaterial 63, Spratzer und Metallkondensate, wobei das mit Partikeln beladene Prozessgas 50 über eine entsprechende Abführung aus der Prozesskammer 52 austritt und zumindest teilweise einem Partikelabscheidesystem zugeführt werden kann.
Die AM-Maschine 5 umfasst eine Bestrahlungseinheit 66 mit einem Laser 67, wobei ein Laserstrahl 68 durch eine Umlenkvorrichtung 69 so umgelenkt wird, dass der Laserstrahl 68 über ein Einkoppelfenster 71 in den Prozessraum 52 der AM-Maschine 5 eintritt. Über eine Fokussiervorrichtung 70 kann der Laserstrahl 68 auf die Arbeitsebene 56 fokussiert werden.
Die AM-Maschine 5 hat eine Steuereinheit 72, über welche die jeweiligen Komponenten der AM-Maschine 5 zum Durchführen eines Bauprozesses in koordinierter Weise gesteuert werden. Die Steuereinheit 72 kann als Teil der AM-Maschine 5 ausgebildet sein oder kann, ganz oder teilweise, außerhalb der AM-Maschine 5 angebracht sein. Die Steuerein- heit 72 kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Insbesondere kann die Steuereinheit 72 auch zur Steuerung der Komponenten eines Partikelabscheidesystems 8 und/oder eines additiven Fertigungssystems 9 (Figur 1) ausgebildet sein.
Da die grundsätzliche Arbeitsweise von derartigen AM-Maschinen 5 bekannt ist, insbesondere die wiederkehrende Abfolge eines schichtweisen Aufbringens von Aufbaumaterial 61 im Baufeld 57, eine selektive Bestrahlung von Teilen des Aufbaumaterials 61 mittels des Laserstrahls 68 in solchen Bereichen, die im Querschnitt des herzustellenden Objekts 51 liegen, ein anschließendes Abkühlen und Verfestigen des bestrahlten Aufbaumaterials unter Ausbildung einer Bauteilschicht 5T und ein Absenken des Trägers 58 um eine bestimmte Schichtdicke, kann auf eine detailliertere Beschreibung verzichtet werden.
In Figur 1 ist gezeigt, dass das mit Partikeln 6, 7 beladene Prozessgas 50 aus der AM- Maschine 5 austritt und über entsprechende Verbindungsrohre (nicht gezeigt) zum Teil direkt in eine Filtereinrichtung 91 als Teil einer Prozessgasabführeinrichtung 90 eingeleitet wird. In der Filtereinrichtung 91 bzw. in dem Filtersystem 91 kann das Prozessgas 50 umfassend gereinigt werden, wobei z.B. sowohl eine Grobpartikelfraktion 6 als auch eine Feinpartikelfraktion 7 aus dem Prozessgas 50 herausgefiltert werden. Die Filtereinrichtung 91 ist insbesondere dazu ausgebildet, um das Prozessgas 50 für eine Wiederverwendung aufzubereiten.
Ein zweiter Teil(-strom) des partikelbeladenen Prozessgases 50 wird in einen Partikelabscheider 1 eines Partikelabscheidesystems 8 eingeleitet. Beim Durchströmen des Partikelabscheiders 1 wird die Grobpartikelfraktion 6 aus dem Prozessgas 50 abgeschieden und wird in einem Auffangbehälter 80 gesammelt. Entsprechend ist der Partikelabscheider 1, anders als die Filtereinrichtung 91 , dazu ausgebildet, um die Grobpartikelfraktion 6 aus dem Prozessgas 50 abzutrennen für eine Rückgewinnung einer nutzbaren Pulverfraktion. Das aus dem Partikelabscheider 1 austretende bzw. das daraus ausgetretene Prozessgas 50‘, das mit der Feinpartikelfraktion 7 beladen ist, wird zur Aufreinigung in das Filtersystem 91 eingeleitet. Nach Durchströmen der Filtereinrichtung 91 tritt der (wieder vereinte) Prozessgasstrom 50“ erneut in die AM-Maschine 5 ein. Anders als hier gezeigt, kann das mit Partikeln 6, 7 beladene Prozessgas 50 der AM-Maschine 5 auch vollständig in den Partikelabscheider 1 eingeleitet werden, wobei die Aufspaltung des Prozessgases 50 in zwei Teilströme bzw. der Bypass zur Umgehung des Partikelabscheiders 1 optional ist. Das Partikelabscheidesystem 8 aus Figur 1 ist in Figur 8A näher gezeigt, wobei das System 8 im Betrieb üblicherweise mit weiteren Komponenten eines additiven Fertigungssystems 9 verbunden ist, wie zuvor beschrieben wurde. Das Partikelabscheidesystem 8 umfasst einen Partikelabscheider 1, dem im Betrieb über ein Einlasselement 12 partikelbeladenes Prozessgas 50 zugeführt werden kann, wobei nach Abscheidung einer Grobpartikelfraktion das Prozessgas 50‘ aus einem Auslasselement 13 wieder aus dem Partikelabscheider 1 austritt.
Der Partikelabscheider 1 ist in Figur 8A als Gegenstromzyklon 1 ausgebildet und hat an seinem (hier unteren) Ende über ein nicht näher gezeigtes Austrittselement 41 bzw. einen Grobpartikelauslass 41 (Figur 2) eine Verbindung zu einem Auffangbehälter 80. Der Partikelabscheider 1 weist einen Verschlussmechanismus 83 auf, der dazu ausgebildet ist, um eine Verbindung zwischen dem Partikelabscheider 1 und dem Auffangbehälter 80 zeitweise zu unterbrechen. Im geöffneten Zustand des Mechanismus 83 kann im Betrieb des Partikelabscheiders 1 die abgeschiedene Grobpartikelfraktion mittels Schwerkraft in den Auffangbehälter 80 eintreten.
Der Auffangbehälter 80 hat ebenfalls einen Verschlussmechanismus 84, um den Auffangbehälter 80 gegenüber der Umgebung abzuschließen. Weiterhin hat der Auffangbehälter 80 eine optionale Koppelstelle 85, um eine lösbare Verbindung mit einem Fördermodul 81 auszubilden.
Ein beispielhaftes Fördermodul 81 ist in Figur 8B gezeigt. Das Fördermodul 81 kann im Betrieb einem Partikelabscheider zumindest vorübergehend zugeordnet sein, wobei ein Partikelabscheidesystem 8 ausgebildet wird. Das Fördermodul 81 umfasst eine zur Koppelstelle 85 des Auffangbehälters 80 komplementäre Koppelstelle (nicht gezeigt), wobei über diese Verbindung die Grobpartikelfraktion vom Auffangbehälter 80 in das Fördermodul 81 überführt werden kann, wobei der Verschlussmechanismus 84 automatisch geöffnet werden kann. Beispielsweise kann das Fördermodul 81 einen Vakuumförderer, einen Schneckenförderer oder ein anderes Fördersystem aufweisen, um die Grobpartikelfraktion zu überführen.
Der Partikelabscheider 1 und der Auffangbehälter 80 sind in Figur 8A modular aufgebaut und in einem bewegbaren Gehäuse angeordnet. Es wäre grundsätzlich auch möglich, dass ein Fördermodul dazu ausgebildet ist, um die abgereinigte Grobpartikelfraktion direkt und automatisiert aus dem Auffangbehälter 80 abzuführen, insbesondere kontinuierlich im Betrieb, wobei dann auf die Koppelstellen 85 und den Verschlussmechanismus 84 verzichtet werden könnte. Beispielsweise könnte ein solches Fördermodul im Betrieb dauerhaft mit dem Auffangbehälter 80 verbunden sein und/oder ortsfest ausgebildet sein.
Das Partikelabscheidesystem 8 hat hier ein Bedienpult 82, über das z.B. der Betrieb des Partikelabscheiders 1 gesteuert und/oder Betriebsparameter überwacht werden können. Beispielsweise könnten die Verschlussmechanismen 83, 84 oder die Koppelstelle 85 bzw. eine Interaktion mit dem Fördermodul 81 gesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Partikelabscheider 1 und/oder das Fördermodul 81 und/oder die Überführung der Grobpartikelfraktion in das Fördermodul 81 von einer übergeordneten Steuereinheit gesteuert wird. Beispielsweise könnte diese Aufgabe durch die Steuereinheit 72 einer AM- Maschine 5 übernommen werden (Figur 7).
In Figur 2 ist schematisch eine Ausführungsform eines Partikelabscheiders 1 näher gezeigt. Der Partikelabscheider 1 ist hier und in den übrigen Figuren 3 bis 6 mittels eines Gegenstromzyklons ausgebildet, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Partikelabscheider 1 umfasst ein Einlasselement 12 für Prozessgas 50, einen sich daran anschließenden Hauptströmungsleitkörper 10 mit einer Wirbelkammer 10‘ und einem sich nach (hier) unten anschließenden Abscheidekonus 11. Die Wirbelkammer 10‘, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch ist, und der konische Bereich 11 bilden gemeinsam den Hauptströmungsleitkörper 10. Am Abscheidekonus 11 ist ein Austrittselement 41 für eine abgereinigte Grobpartikelfraktion angeordnet, wobei über das Austrittselement 41 bzw. den Grobpartikelauslass 41 der Partikelabscheider 1 mit einem Auffangbehälter 80 verbunden sein kann (Figur 8A). Weiterhin umfasst der Partikelabscheider 1 an einer vom Abscheidekonus 11 wegweisenden (hier) oberen Seite ein Auslasselement 13 für Prozessgas 50‘ aus dem Hauptströmungsleitkörper 10 bzw. aus dem Partikelabscheider 1.
Der Partikelabscheider 1 weist ein Haftreduzierungselement 2 auf, das hier zweiteilig ausgebildet ist und zwei separate Temperierelemente 20 umfasst. Ein erstes (oberes) Temperierelement 20 liegt hier auf einem nach oben weisenden, horizontalen Teilbereich einer Gehäusewandung 14 auf, wobei über diesen Teilbereich eine Abdeckung bzw. ein Deckel des Auslasselements 13 gebildet ist. Ein zweites (unteres) Temperierelement 20 liegt hier auf einem horizontalen Teilbereich der Gehäusewandung 14 auf, die den Hauptströmungsleitkörper 10 nach oben hin begrenzt, wobei über diesen Teilbereich ein Deckel des Hauptströmungsleitkörpers 10 gebildet ist. Die hier gezeigte Ausrichtung des Parti- kelabscheiders 1 in Bezug auf die Lotrichtung R könnte eine Betriebsposition des Partikelabscheiders 1 sein.
In Figur 3A ist der Partikelabscheider 1 aus Figur 2 in einem Längsschnitt gezeigt, so wie er bei bestimmungsgemäßer Verwendung im Betrieb durchströmt werden könnte. Wie hier rein schematisch gezeigt ist, strömt das Prozessgas 50 im hier linken Bereich in die Wirbelkammer 10‘ ein, wobei der Prozessgasstrom 50, zumindest unmittelbar nach dem Eintritt in die Wirbelkammer 10‘, einem hier horizontalen Teilbereich 15 der Gehäusewandung 14 anliegt, d.h. im Wesentlichen direkt an diesem entlangströmt. Der Teilbereich 15, der sich von der hier vertikalen Gehäusewandung 14 bis zu einem Verbindungsbereich mit dem Auslasselement 13 erstreckt, bildet den Deckel des Hauptströmungsleitkörpers
10. Auf Grund der Bauart der Wirbelkammer 10‘ wird das Prozessgas 50 in eine Rotationsbewegung versetzt und rotiert entsprechend einer Hauptströmungsrichtung SR von Prozessgas 50 außen, d.h. entlang der Gehäusewandung 14, um die hier schematisch gezeigte Hauptrotationsachse X. Das Prozessgas 50 bewegt sich dabei gemäß der Hauptströmungsrichtung SR auf einer helixartigen Bahn in Richtung des Abscheidekonus
11.
Die Partikel der Grobpartikelfraktion im Prozessgas 50 können insbesondere auf Grund ihrer Trägheit einer durch die Wirbelkammer 10‘ erzeugten (starken) Krümmung der Stromlinien des Prozessgases 50 nicht folgen. Sie werden im Wesentlichen durch die Zentrifugalkraft an die innenliegende Gehäusewandung 14 gedrückt. Entsprechend können die Partikel der Grobpartikelfraktion der Helixbewegung nicht unmittelbar folgen und sammeln sich an der innenliegenden Gehäusewandung 14 bzw. sinken auf Grund der Schwerkraft und infolge der abwärts gerichteten Bewegungskomponente der Helix- Strömung in Richtung des Austrittselements 41. Der Abscheidekonus 11 zwingt das Prozessgas 50 zur Hauptrotationsachse X hin, wobei eine Umkehr der Axialkomponente der Hauptströmung erfolgt und wobei sich das Prozessgas 50 wiederum helixartig unter Rotation um die Hauptrotationsachse X in Richtung des Auslasselements 13 bewegt. Es sei darauf hingewiesen, dass, anders als hier schematisch gezeigt, die Anzahl der Umdrehungen der Außenströmung des Prozessgases 50 entlang der Gehäusewandung 14 im Betrieb in etwa gleich sein kann zur Anzahl der Umdrehungen der Innenströmung des Prozessgases 50 in Richtung des Auslasselements 13.
Das Prozessgas 50 tritt in einen Auslasstopf 17 des Auslasselements 13 ein, wobei das Prozessgas 50 zunächst weiterhin um die(-selbe) Hauptrotationsachse X rotiert. Über einen in Figur 3A nicht gezeigten Austrittsbereich 18 (Figur 4) tritt das Prozessgas 50‘ aus dem Partikelabscheider 1 aus.
Das Haftreduzierungselement 2 ist in Figur 3A mehrteilig ausgebildet und umfasst ein erstes (oberes) Temperierelement 20, das einem Teilbereich 15‘ der Gehäusewandung 14 im Auslasselement 13 zugeordnet ist, welcher Teilbereich 15‘ im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse X im Partikelabscheider 1 angeordnet ist. In diesem Fall ist der Teilbereich 15‘, der über das Temperierelement 20 temperiert wird, horizontal angeordnet und/oder im Wesentlichen parallel zu einer Einströmrichtung bzw. Ausströmrichtung von Prozessgas 50, 50‘. Der temperierte Teilbereich 15‘ entspricht hier einem Deckel (19) des Auslasselements 13 (Figur 4). Das Temperierelement 20 ist in Figur 3A mittels eines Isolierungselements 21 ausgebildet, wobei über das Isolierungselement 21 ein Temperaturgradient zwischen einer Temperatur Ti des zugeordneten Teilbereichs 15‘ und einer Prozessgastemperatur T2 des einströmenden Prozessgases 50 und/oder des ausströmenden Prozessgases 50‘ reduziert werden kann (gegenüber einer untemperierten Gehäusewandung 14), so dass z.B. die Temperatur Ti nur etwas geringer ist als eine Prozessgastemperatur T2. Die (hier vertikalen) Flächen der Gehäusewandung 14 des Auslasselements 13, die nicht vom temperierten Teilbereich 15‘ umfasst sind, weisen kein Temperierelement auf bzw. sind untemperiert.
Ein zweiter Teil des Haftreduzierungselements 2 ist mittels eines zweiten Temperierelements 20 realisiert, das einem Teilbereich 15 der Gehäusewandung 14 der Wirbelkammer 10‘ zugeordnet ist bzw. diesen temperiert, wobei dieser Teilbereich 15 im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse X im Partikelabscheider 1 ist. Das Temperierelement 20 umfasst ein Isolierungselement 21 und beispielhaft gezeigt zwei darin eingelagerte Heizelemente 22. Über das Temperierelement 20, insbesondere über die Heizelemente 22, kann der zugeordnete Teilbereich 15 der Gehäusewandung 14 auf eine bestimmte Temperatur T3, insbesondere eine Solltemperatur T3, aktiv erwärmt werden. Die Temperatur T3, d.h. die Oberflächentemperatur T3 der innenliegenden Gehäusewandung 14 im temperierten Teilbereich 15, ist zumindest höher als die Prozessgastemperatur T2 des einströmenden Prozessgases 50.
Wie in Figur 3A erkennbar ist, kann ein temperierter Teilbereich 15, 15‘ und/oder ein zugeordnetes Temperierelement 20 so ausgebildet sein, dass überwiegend alle strömungsführenden Flächen der Gehäusewandung 14, die im Betrieb im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse X sind, temperiert werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Prozessgastemperatur T2 beim Durchströmen des Partikelabscheiders 1 nicht konstant sein muss, wobei eine Abkühlung des Prozessgases 50 erfolgen kann, insbesondere sofern keine aktive Beheizung von Teilbereichen des Partikelabscheiders 1 erfolgt. Weiterhin müssen auch die Temperaturen Ti, T3 nicht über die gesamte temperierte Fläche 15‘, 15 konstant sein, d.h. es kann in einem jeweiligen Teilbereich 15, 15‘ auch geringfügige lokale Temperaturunterschiede geben. Beispielsweise könnte das Temperierelement 20 des Hauptströmungsleitkörpers 10 auch mehrere oder nur ein einzelnes Heizelement 22 haben, wobei andere Abschnitte desselben Teilbereichs 15 dann nicht aktiv erwärmt werden. Entsprechend handelt es sich bei den jeweiligen Temperaturen bzw. Temperaturgradienten nur um beispielhafte Angaben.
In Figur 3B ist ein Partikelabscheider 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, der sich von dem Partikelabscheider 1 aus Figur 2 durch die Ausgestaltung des Haftreduzierungselements 2 unterscheidet. In Figur 3B umfasst das Haftreduzierungselement 2 vier Temperierelemente 20, wobei jeweils ein Temperierelement 20 auf einem (hier) horizontalen Teilbereich der Gehäusewandung 14 bzw. einem Deckel des Auslasselements 13 und des Hauptströmungsleitkörpers 10 angeordnet ist. Weiterhin ist auch den (hier) vertikalen Bereichen der Gehäusewandung 14 des Auslasselements 13 und der Wirbelkammer des Hauptströmungsleitkörpers 10 jeweils ein Temperierelement 20 zugeordnet. Die jeweiligen Temperierelemente 20 können z.B. mittels Isolierungselementen aus EPDM-Schaumstoff realisiert sein.
In Figur 4 ist ein Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Partikelabscheiders 1 gezeigt, wobei der Partikelabscheider 1 ein Haftreduzierungselement 2 mit einem mehrteiligen Element 30 zur Strömungsführung aufweist. Da der grundlegende Aufbau des Partikelabscheiders 1 dem aus den Figuren 2, 3A und 3B entspricht, werden nachfolgend nur die Unterschiede näher beschrieben.
Das Strömungsführungselement 30 bzw. ein erster Teil davon bildet einen Strömungskanal für Prozessgas 50 aus und läuft außerhalb der Wirbelkammer 10‘ zumindest teilweise um diese herum. Zur Zuführung von Prozessgas 50 ist das Strömungsführungselement 30 mit dem Einlasselement 12 verbunden. Das Strömungsführungselement 30 ist so ausgebildet, dass ein erster Teilstrom 31 von Prozessgas 50 an einem ersten Eintrittsort 32 in die Wirbelkammer 10‘ eintritt und zwar im Wesentlichen tangential. Die Wirbelkammer 10‘ ist insbesondere im Bereich des Eintrittsorts 32 annähernd zylinderartig ausgebildet. Ein zweiter Teilstrom 33 des Prozessgases 50 wird durch das Strömungsführungselement 30 zunächst außerhalb der Gehäusewandung 14 um die Wirbelkammer 10‘ teilweise herumgeleitet, wobei der zweite Teilstrom 33 dann über einen zweiten Eintrittsort 34 in die Wirbelkammer 10‘ eintritt (Figur 5).
In Figur 4 ist sichtbar, dass der Hauptströmungsleitkörper 10 tauchrohrfrei ausgebildet ist, wobei im Inneren des Hauptströmungsleitkörpers 10, insbesondere in der Wirbel kam mer 10‘, ein vollständig freier Hohlraum 16 ausgebildet ist, d.h. ein Hohlraum 16 ohne Einbauten.
Im Betrieb des Partikelabscheiders 1 kann das Prozessgas 50 nach Durchströmen der Wirbelkammer 10‘ über einen Eintrittsort 19‘ in das Auslasselement 13 eintreten. Das Auslasselement 13 umfasst als Grundkörper einen überwiegend zylindrischen Auslasstopf 17 und einen dem Eintrittsort 19‘ gegenüberliegenden Deckel 19.
Der Deckel 19 weist hier als Teil des Strömungsführungselements 30 ein strömungslenkendes Element 39 auf, wodurch ein Strömungsbereich bzw. ein Strömungsquerschnitt für Prozessgas im Auslasselement 13 zum Austrittsbereich 18 hin verengt wird. Das strömungslenkende Element 39 ist hier so ausgebildet, dass der Strömungsbereich zumindest teilweise die Form eines Kegelstumpfs hat, der sich zum Deckel 19 hin verjüngt.
In Figur 4 ist weiter gezeigt, dass ein innerer Durchmesser Di des Grundkörpers 17 bzw. des im Wesentlichen zylinderartigen Auslasstopfs 17 des Auslasselements 13 kleiner ist als ein innerer Durchmesser D2 der Wirbel kam mer 10‘ des Hauptströmungsleitkörpers 10, wobei das Verhältnis von Di zu D2 hier etwa 0,5 ist.
In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Partikelabscheiders 1 im Schnitt gezeigt, die sich besonders durch das Element 30 zur Strömungsführung im Bereich der Wirbelkammer 10‘ vom Partikelabscheider 1 aus Figur 4 unterscheidet, wobei die Partikelabscheider 1 im Übrigen gleich ausgebildet sein können.
Das Prozessgas 50 einer AM-Maschine tritt über das Einlasselement 12 in das Strömungsführungselement 30 ein und wird darüber zunächst in zwei Teilströme 31 , 33 aufgeteilt, die vorübergehend räumlich getrennt voneinander verlaufen. Während ein erster Teilstrom 31 über einen ersten Eintrittsort 32 im Wesentlichen tangential in die Wirbel- kammer 10‘ eingeleitet wird, wird der zweite Teilstrom 33 zunächst durch das Strömungsführungselement 30 außen teilweise um die Wirbelkammer 10‘ herumgeführt und erst dann im Wesentlichen tangential eingeleitet.
Der zweite Prozessgasstrom 33 wird durch das Strömungsführungselement 30 nochmals in mehrere Teilströme 33, 33‘ aufgeteilt, wobei das Prozessgas 50 in Form von drei Teilströmen 31 , 33, 33‘ in die Wirbelkammer 10‘ eintritt. Jedem der drei T eilströme 31 , 33, 33‘ ist ein separater Eintrittsort 32, 34, 34‘ zugeordnet, um den Teilstrom 31, 33, 33‘ im Wesentlichen tangential in die Wirbelkammer 10‘ einzubringen. In dem hier gezeigten Beispiel liegen sich der Eintrittsort 32 des ersten Teilstroms 31 und der Eintrittsort 34 des dritten Teilstroms 33 annähernd diametral gegenüber. Anders als hier beispielhaft gezeigt, könnte das Strömungsführungselement 30 auch so ausgebildet sein, dass die Teilströme 31 , 33, 33‘ im Wesentlichen gleichmäßig über einen inneren Umfang U des zylindrischen Hauptströmungsleitkörpers 10, insbesondere im Wesentlichen gleichmäßig über einen inneren Umfang U der zylindrischen Wirbelkammer 10‘, verteilt in den Hauptströmungsleitkörper 10 eintreten. Es wäre auch möglich, dass das Prozessgas 50 in Form von vier oder mehr Teilströmen in die Wirbelkammer 10‘ eintritt. Anders als hier rein schematisch gezeigt ist, könnte im Bereich des (zweiten) mittigen Eintrittsorts 34‘ die rechte Begrenzung des Eintrittsorts 34‘, also die Luvseite des stromabwärts liegenden Trennblechs zur Ausbildung des Strömungsführungselements 30, zumindest geringfügig von der Wirbelkammer 10‘ weg in den Kanal des Strömungsführungselements 30 zurückversetzt sein.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Partikelabscheiders 1 gezeigt, wobei das Strömungsführungselement 30 hier ein Prozessgasleitelement 35 aufweist bzw. ausbildet. Das Prozessgasleitelement 35 ist so ausgebildet, dass es um einen äußeren Umfang U‘ der Wirbelkammer 10‘ des Hauptströmungsleitkörpers 10 herum angeordnet ist, wobei das Prozessgasleitelement 35 hier um den Umfang U‘ vollständig umläuft.
Das Prozessgasleitelement 35 umfasst eine Mehrzahl von verstellbar gelagerten strömungslenkenden Elementen 36, die hier schematisch als Leitschaufeln 36 gezeigt sind. Entsprechend kann das Prozessgasleitelement 35 auch als Leitapparat bezeichnet werden. Jeder Leitschaufel 36 ist ein Eintrittsort 37, 37‘ für Prozessgas 50 in den Hauptströmungsleitkörper 10, insbesondere in die Wirbelkammer 10‘, zugeordnet. In dem hier gezeigten Fall bilden die jeweiligen Leitschaufeln 36 selbst die Eintrittsorte 37, 37‘ aus, wobei ein Eintrittsort 37, 37‘ einem jeweiligen Bereich zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 36 entspricht. Die Leitschaufeln 36 sind verstellbar gelagert, wobei die Leit- schaufeln 36, auch separat, in bestimmter Weise in Bezug auf die Strömungsrichtung SR‘ positioniert werden können. Beispielsweise könnten die in Strömungsrichtung SR‘ stromabwärts liegenden Leitschaufeln 36 mit einem besonders steilen Winkel bezüglich der Strömungsrichtung SR‘ angeordnet sein (nicht gezeigt).
In Figur 6 haben die Leitschaufeln 36 im Wesentlichen jeweils denselben Winkel bezüglich einer gedachten Geraden zwischen einem jeweiligen Mittelpunkt der jeweiligen Leitschaufel 36 und einem Mittelpunkt des Hauptströmungsleitkörpers 10. Die Leitschaufeln 36 sind hier unterschiedlich lang ausgebildet, wobei eine Länge der Leitschaufeln 36 in Strömungsrichtung SR‘ kontinuierlich zunimmt. Darüber lässt sich ein Strömungsquerschnitt 38 durch das Prozessgasleitelement 35 in Strömungsrichtung SR‘ z.B. sukzessive verkleinern.
Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei Figur 6 um eine Prinzipskizze handelt. Entsprechend kann das Prozessgasleitelement 35 auch anders realisiert sein, um eine Innenquerschnittsfläche A des Prozessgasleitelements 35, die im Wesentlichen orthogonal zu einer (mittleren) Strömungsrichtung SR‘ von Prozessgas 50 im Prozessgasleitelement 35 steht, entlang der Strömungsrichtung SR‘ zu verkleinern. Die Innenquerschnittsfläche A ist beispielhaft anhand einer anderen Ausführungsform eines Strömungsführungselements in Figur 4 gezeigt. Vorzugsweise kann sich die Innenquerschnittsfläche A bzw. ein Strömungsquerschnitt 38 durch das Prozessgasleitelement 35 über den Umfang U‘ bzw. entlang der Strömungsrichtung SR‘ verkleinern, insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich.
Anders als in der Prinzipskizze in Figur 6 gezeigt, könnten die Leitschaufeln 36 auch gleichartig ausgebildet und mit demselben Winkel angeordnet sein, wobei eine Verkleinerung der Innenquerschnittsfläche des Prozessgasleitelements 35 über eine (von der Wirbelkammer 10‘ wegweisende) Außenwand des Prozessgasleitelements 35 erreicht wird. Beispielsweise könnte die Außenwand so ausgebildet sein, dass ein Abstand zwischen der Außenwand und dem äußeren Umfang U‘ der Wirbelkammer 10‘ bzw. den jeweiligen Leitschaufeln 36 in Strömungsrichtung SR‘ kontinuierlich abnimmt, um den Strömungsquerschnitt 38 zu verkleinern. Vorteilhafterweise können darüber gleiche bzw. rotationssymmetrische Strömungszustände entlang des Umfangs U der Wirbelkammer 10‘ erreicht werden, wobei das Prozessgas 50 an einem jeweiligen Eintrittsort 37, 37‘ im Wesentlichen mit dem gleichen Winkel und der gleichen Geschwindigkeit in den Hauptströmungsleitkörper 10 eintreten kann. Das Strömungsführungselement 30 aus Figur 6 bildet eine Kombination aus einem im Wesentlichen tangentialen Einlass für Prozessgas 50 in die Wirbelkammer 10‘, einem Leitapparat für Prozessgas 50 und einem sich in Strömungsrichtung SR‘ verjüngenden Strömungsquerschnitt 38. Grundsätzlich kann bei einem Strömungsführungselement 30 mit einem solchen Leitapparat z.B. auch auf einen tangentialen Einlass verzichtet werden, wobei der nötige Drall im Betrieb dann einzig über den Leitapparat erzeugt wird.
In Figur 9 sind beispielhaft Pseudo-Stromlinien aus einer Simulation einer bestimmungsgemäßen Durchströmung eines Partikelabscheiders 1 mit Prozessgas 50 gezeigt, so wie es z.B. im Betrieb des Partikelabscheiders 1 der Fall sein könnte. Der Partikelabscheider 1 hat hier ein Haftreduzierungselement 2 mit einem Element 30 zur Strömungsführung, das dazu ausgebildet ist, um das Prozessgas 50 in zwei Teilströmen 31, 33 an zwei diskreten Eintrittsorten 32, 34 in die Wirbelkammer 10‘ des Hauptströmungsleitkörpers 10 einzubringen. Die Eintrittsorte 32, 34 der Teilströme 31, 33 liegen einander im Wesentlichen diametral gegenüber bezogen auf den annähernd zylindrischen Bereich des Hauptströmungsleitkörpers 10, insbesondere bezüglich der Wirbelkammer 10‘. Es ist erkennbar, dass sich die beiden Teilströme 31, 33 beim Durchströmen der Wirbelkammer 10‘ unter Rotation um die schematisch gezeigte Hauptrotationsachse X jeweils auf einer im Wesentlichen helixartigen Bahn zunächst nach (hier) unten bewegen, wobei die Prozessgasströme 31, 33 durch den Abscheidekonus 11 nach innen zur Hauptrotationsachse X geleitet werden und sich dann jeweils auf einer helixartigen Bahn nach (hier) oben in Richtung des Auslasselements 13 bewegen, um darüber aus dem Partikelabscheider 1 auszutreten. Vorteilhafterweise kann das Prozessgas 50 speziell über das Element 30 zur Strömungsführung so in die Wirbelkammer 10‘ eingebracht werden, dass die innenliegende Gehäusewandung der Wirbelkammer 10‘ in solchen (kritischen) Bereichen, die im Wesentlichen normal zur Hauptrotationsachse X liegen, im Betrieb so mit Prozessgas 50 beaufschlagt wird, dass ein Anhaften von Feinpartikeln zumindest reduziert oder vermieden wird.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Partikelabscheidern lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So sind beispielsweise die in den jeweiligen Ausführungsbeispielen gezeigten Haftreduzierungselemente, insbesondere deren jeweilige Komponenten, untereinander austauschbar und/oder kombinierbar. Auch wenn die Erfindung überwiegend anhand eines Gegenstromzyklons beschrieben wurde, kann der Partikelabscheider alternativ auch ein Gleichstromzyklon, ein Schwerkraftabscheider oder ein Trägheitsabscheider sein, z.B. ein Prallabscheider. Auch eine Kombination von mehreren, auch unterschiedlichen, Partikelabscheidern zur Ausbildung einer Reihen- bzw. Parallelschaltung ist möglich. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste
1 Partikelabscheider
2 Haftreduzierungselement
5 Additive Fertigungsvorrichtung
6 Grobpartikelfraktion
7 Feinpartikelfraktion / Metallkondensat
8 Partikelabscheidesystem
9 Additives Fertigungssystem
10 Hauptströmungsleitkörper
10‘ Wirbelkammer
11 Abscheidekonus
12 Einlasselement
13 Auslasselement
14 Gehäusewandung
15, 15‘ Temperierter Teilbereich
16 Hohlraum
17 Grundkörper / Auslasstopf
18 Austrittsbereich
19 Deckel
19‘ Eintrittsort
20 Temperierelement
21 Isolierungselement
22 Heizelement
30 Element zur Strömungsführung
31 Teilstrom
32 Eintrittsort
33, 33‘ Teilstrom
34, 34‘ Eintrittsort
35 Prozessgasleitelement
36 Strömungslenkendes Element / Leitschaufel
37, 37‘ Eintrittsort
38 Strömungsquerschnitt
39 Strömungslenkendes Element
41 Austrittselement / Grobpartikelauslass
50, 50‘, 50“ Prozessgas 51 Objekt / Bauteil
5T Bauteilschicht
52 Prozessraum
53 Kammerwandung
54 Behälter
55 Behälterwandung
56 Arbeitsebene
57 Baufeld
58 Träger
59 Grundplatte
60 Bauplattform
61 Aufbaumaterial
62 Vorratsbehälter
63 Unverfestigtes Aufbaumaterial
64 Beschichter
65 Strahlungsheizung
66 Bestrahlungseinheit
67 Laser
68 Laserstrahl
69 Umlenkvorrichtung
70 Fokussiervorrichtung
71 Einkoppelfenster
72 Steuereinheit
80 Sammelbehälter / Auffangbehälter
81 Fördermodul
82 Bedienpult
83 Verschlussmechanismus
84 Verschlussmechanismus
85 Koppelstelle
90 Prozessgasabführeinrichtung
91 Filtereinrichtung / Prozessgasaufbereitung
92 Weiterverarbeitungseinrichtung
A Innenquerschnittsfläche
Di , D2 Durchmesser
H Horizontale Richtung
R Lotrichtung SR Hauptströmungsrichtung
SR‘ Strömungsrichtung
Ti Oberflächentemperatur
T2 Prozessgastemperatur T3 Solltemperatur
U, LT Umfang
V vertikale Richtung
X Hauptrotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Partikelabscheider (1) für eine additive Fertigungsvorrichtung (5) zum Abtrennen einer Grobpartikelfraktion (6) aus einem den Partikelabscheider (1) im Betrieb durchströmenden Prozessgas (50) einer additiven Fertigungsvorrichtung (5), welcher Partikelabscheider (1) zumindest die folgenden Elemente aufweist: einen Hauptströmungsleitkörper (10), ein Einlasselement (12) für Prozessgas (50) in den Hauptströmungsleitkörper (10), ein Auslasselement (13) für Prozessgas (50‘) aus dem Hauptströmungsleitkörper (10), wobei der Partikelabscheider (1) ein Haftreduzierungselement (2) aufweist, und wobei das Haftreduzierungselement (2) wenigstens ein Temperierelement (20) aufweist, um zumindest einen Teilbereich (15, 15‘) einer Gehäusewandung (14) des Partikelabscheiders (1), welcher Teilbereich (15, 15‘) im Betrieb von Prozessgas (50) beströmt ist, zu temperieren, und/oder wobei das Haftreduzierungselement (2) wenigstens ein Element (30) zur Strömungsführung aufweist, um das Prozessgas (50) der additiven Fertigungsvorrichtung (5) mit zumindest zwei Teilströmen (31 , 33) in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) einzubringen.
2. Partikelabscheider nach Anspruch 1 , wobei das Temperierelement (20) wenigstens ein Isolierungselement (21) zur thermischen Isolierung zumindest des temperierten Teilbereichs (15, 15‘) der Gehäusewandung (14) gegenüber einer Umgebung der Gehäusewandung (14) aufweist, wobei vorzugsweise das Isolierungselement (21) so ausgebildet ist, dass im Betrieb des Partikelabscheiders (1) eine Oberflächentemperatur (Ti) zumindest des temperierten Teilbereichs (15‘) der Gehäusewandung (14) maximal 5 °C, vorzugsweise maximal 4 °C, bevorzugt maximal 3 °C, besonders bevorzugt maximal 2 °C, insbesondere maximal 1 °C, geringer ist als eine Prozessgastemperatur (T2).
3. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei das Temperierelement (20), insbesondere das Isolierungselement (21), dazu ausgebildet und/oder so angeordnet ist, dass der temperierte Teilbereich (15, 15‘) der Gehäusewandung (14) im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse (X) von Prozessgas (50) im Partikelabscheider (1) angeordnet ist.
4. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest ein temperierter Teilbereich (15) dem Hauptströmungsleitkörper (10) zugeordnet ist und/oder wobei zumindest ein temperierter Teilbereich (15‘) dem Auslasselement (13) zugeordnet ist.
5. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Temperierelement (20) wenigstens ein steuerbares Heizelement (22) aufweist, um zumindest den temperierten Teilbereich (15) der Gehäusewandung (14) zur Temperierung auf eine bestimmte Solltemperatur (T3) zu erwärmen, wobei vorzugsweise das Heizelement (22) dazu ausgebildet und/oder so angeordnet ist, dass der erwärmte Teilbereich (15) der Gehäusewandung (14) im Wesentlichen orthogonal zu einer Hauptrotationsachse (X) von Prozessgas (50) im Partikelabscheider (1) angeordnet ist.
6. Partikelabscheider nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (22) dazu ausgebildet ist, um zumindest den temperierten Teilbereich (15) der Gehäusewandung (14) des Partikelabscheiders (1) so zu erwärmen, dass eine Oberflächentemperatur (T3) des temperierten Teilbereichs (15) wenigstens 1 °C, vorzugsweise wenigstens 3 °C, bevorzugt wenigstens 5 °C, weiter bevorzugt wenigstens 8 °C, weiter bevorzugt wenigstens 9 °C, insbesondere wenigstens 10 °C, und/oder höchstens 35 °C, vorzugsweise höchstens 25 °C, bevorzugt höchstens 20 °C, weiter bevorzugt höchstens 18 °C, weiter bevorzugt höchstens 16 °C, insbesondere höchstens 15 °C, höher ist als eine Prozessgastemperatur (T2).
7. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hauptströmungsleitkörper (10) tauchrohrfrei ausgebildet ist, insbesondere so, dass im Hauptströmungsleitkörper (10) ein freier Hohlraum (16) ausgebildet ist.
8. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element (30) zur Strömungsführung so ausgebildet ist, dass ein erster Teilstrom (31) von Prozessgas (50) an einem ersten Eintrittsort (32) und ein zweiter Teilstrom (33) von Prozessgas (50) an einem zweiten Eintrittsort (34), vorzugsweise im Wesentlichen tangential, in den, bevorzugt im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) eingebracht wird, wobei vorzugsweise der erste Eintrittsort (32) und der zweite Eintrittsort (34) einander diametral gegenüberliegen.
9. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element (30) zur Strömungsführung so ausgebildet ist, dass das Prozessgas (50) in drei oder mehr Teilströmen (31 , 33, 33‘) in den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) eingebracht wird, wobei jedem Teilstrom (31, 33, 33‘) ein Eintrittsort (32, 34, 34‘) in den Hauptströmungsleitkörper (10) zugeordnet ist, um den Teilstrom (31, 33, 33‘), bevorzugt im Wesentlichen tangential, in den Hauptströmungsleitkörper (10) einzubringen.
10. Partikelabscheider nach Anspruch 9, wobei die Eintrittsorte (32, 34, 34‘) so durch das Element (30) zur Strömungsführung ausgebildet sind, dass die Teilströme (31, 33, 33‘) im Wesentlichen gleichmäßig über einen Umfang (U) des, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörpers (10) verteilt in den Hauptströmungsleitkörper (10) eintreten.
11. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element (30) zur Strömungsführung ein Prozessgasleitelement (35) aufweist, und wobei das Prozessgasleitelement (35) zumindest teilweise, insbesondere überwiegend vollständig, um einen Umfang (U‘) des Hauptströmungsleitkörpers (10) angeordnet ist, wobei eine Innenquerschnittsfläche (A) des Prozessgasleitelements (35), die im Wesentlichen orthogonal zu einer Strömungsrichtung (SR‘) von Prozessgas (50) im Prozessgasleitelement (35) verläuft, entlang der Strömungsrichtung (SR‘) abnimmt, und/oder wobei das Prozessgasleitelement (35) eine Anzahl von, vorzugsweise zumindest teilweise verstellbar gelagerten, strömungslenkenden Elementen (36) aufweist, wobei jeweils ein strömungslenkendes Element (36) einem Eintrittsort (37, 37‘) von Prozessgas (50) in den Hauptströmungsleitkörper (10) zugeordnet ist, und/oder wobei das Prozessgasleitelement (35) zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist.
12. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Auslasselement (13) für Prozessgas (50‘) einen, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Grundköper (17) aufweist, der an den, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) des Partikelabscheiders (1) anschließt, und einen, bevorzugt tangential, am Grundkörper (17) angeordneten, insbesondere horizontalen, Austrittsbereich (18) für Prozessgas (50‘) aus dem Auslasselement (13), wobei ein Verhältnis zwischen einem Durchmesser (Di) des Grundkörpers (17) des Auslasselements (13) und einem Durchmesser (D2) des Hauptströmungsleitkörpers (10) zu- mindest etwa 0,25, vorzugsweise zumindest etwa 0,4, bevorzugt zumindest etwa 0,5, insbesondere zumindest etwa 0,533 und/oder höchstens etwa 0,7, vorzugsweise höchstens etwa 0,66, ist.
13. Partikelabscheider nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Element (30) zur Strömungsführung im Auslasselement (13) eine Anzahl von separaten Austrittsbereichen für Prozessgas (50‘) und/oder eine Anzahl von, vorzugsweise zumindest teilweise verstellbar gelagerten, strömungslenkenden Elementen aufweist, und/oder wobei das Auslasselement (13) einen Deckel (19) aufweist, der einem Eintrittsort (19‘) von Prozessgas (50) in das Auslasselement (13) gegenüberliegt, wobei im Deckel (19) durch das Element (30) zur Strömungsführung ein strömungslenkendes Element (39) für Prozessgas (50) ausgebildet ist, und wobei das strömungslenkende Element (39) einen Strömungsbereich für Prozessgas (50) im Auslasselement (13), vorzugsweise zum Austrittsbereich (18) hin, verengt, und/oder wobei das strömungslenkende Element (39) eine Deckeloberfläche umfasst, die zumindest teilweise nach der Art einer Helix ausgebildet ist.
14. Partikelabscheidesystem (8) mit einem Partikelabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Partikelabscheidesystem (8) einen dem Partikelabscheider (1) zumindest zeitweise zugeordneten Sammelbehälter (80) für eine Grobpartikelfraktion (6) eines Prozessgases (50) aufweist, welche Grobpartikelfraktion (6) aus einem den Partikelabscheider (1) im Betrieb durchströmenden Prozessgas (50) einer additiven Fertigungsvorrichtung (5) abgetrennt wurde, und/oder wobei das Partikelabscheidesystem (8) ein dem Partikelabscheider (1) zumindest zeitweise zugeordnetes Fördermodul (81) aufweist, um eine Grobpartikelfraktion (6), insbesondere im Betrieb des Partikelabscheiders (1), aus einem Sammelbehälter (80) zu entfernen.
15. Additives Fertigungssystem (9) mit zumindest einer additiven Fertigungsvorrichtung (5) zur Fertigung wenigstens einer Bauteilschicht (51 ‘) zumindest eines Bauteils (51) in einem additiven Fertigungsprozess, welche Vorrichtung (5) wenigstens eine Zuführvor- richtung (64) zum Einbringen einer Schicht eines Aufbaumaterials (61) in einen Prozessraum (52), eine Bestrahlungseinheit (66) zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials (61) der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels der Bestrahlungseinheit (66), eine Steuereinheit (72) zur Steuerung der Vorrichtung (5) und eine Prozessgasabführeinrichtung (90) aufweist, und mit einem Partikelabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13, insbesondere mit einem Partikelabscheidesystem (8) nach Anspruch 14.
16. Prozessgasreinigungsverfahren zum Reinigen von Prozessgas (50) einer additiven Fertigungsvorrichtung (5), insbesondere Prozessgas (50), das bei einer additiven Fertigung mit Partikeln (6, 7) angereichert wird, wobei zumindest ein Teil des Prozessgases (50) zum Abtrennen einer Grobpartikelfraktion (6) aus dem Prozessgas (50) einem Partikelabscheider (1) zugeführt wird, wobei zumindest ein mit Prozessgas (50) beströmter Teilbereich (15, 15‘) einer Gehäusewandung (14) des Partikelabscheiders (1) temperiert wird, und/oder wobei mittels wenigstens eines Elements (30) zur Strömungsführung das Prozessgas (50) mit zumindest zwei Teilströmen (31 , 33) in einen, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrischen, Hauptströmungsleitkörper (10) des Partikelabscheiders (1) eingebracht wird, wobei optional eine Rückführung zumindest eines Teils einer aus dem Prozessgas (50) abgetrennten Grobpartikelfraktion (6) erfolgt, wobei optional zumindest ein Teil des Prozessgases (50) der additiven Fertigungsvorrichtung (5) einer Filtereinrichtung (91) zur Aufbereitung zugeführt wird, vorzugsweise nach einem Durchströmen des Partikelabscheiders (1).
17. Verfahren zur Steuerung einer additiven Fertigung zumindest einer Bauteilschicht (5T) zumindest eines Bauteils (51) in einem Fertigungsprozess, in welchem wenigstens eine Schicht eines Aufbaumaterials (61) in einen Prozessraum (52) einer additiven Fertigungsvorrichtung (5) eingebracht wird und das Aufbaumaterial (61) der Schicht durch Bestrahlung von zumindest einem Teilbereich der Schicht mittels einer Bestrahlungseinheit (66) selektiv verfestigt wird, insbesondere zur Steuerung der additiven Fertigungsvorrichtung (5), wobei das Verfahren so durchgeführt wird, dass zumindest ein Teil eines Prozessgases (50) der additiven Fertigung, insbesondere Prozessgas (50), das bei der additiven Fertigung mit Partikeln (6, 7) angereichert wird, gemäß einem Verfahren nach Anspruch 16 gereinigt wird, insbesondere einem Partikelabscheider (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 13 zugeführt wird, um eine Grobpartikelfraktion (6) aus dem Prozessgas (50) abzutrennen.
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