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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur laserbasierten generativen Fertigung und insbesondere eine Absaugung von Schutzgas während der generativen Fertigung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Absaugung eines Fertigungsraums bei der generativen Fertigung eines Bauteils.
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Die laserbasierte generative Fertigung von, insbesondere metallischen oder keramischen, Werkstücken basiert auf einem Verfestigen eines in Pulverform vorliegenden Ausgangsmaterials durch die Bestrahlung mit Laserlicht. Dieses Konzept - auch als selektives Laserschmelzen, Pulverbettfusion oder Laser Metal Fusion (LMF) bekannt - wird unter anderem in Maschinen für den (metallischen) 3D-Druck eingesetzt. Eine beispielhafte Maschine (hierin kurz LMF-Maschine) zur Herstellung von dreidimensionalen Produkten ist in der
EP 2 732 890 A1 offenbart. Die Vorteile der generativen Fertigung sind allgemein eine einfache Herstellung von komplexen und individuell erstellbaren Teilen. Dabei können insbesondere definierte Strukturen im Innenraum und/oder kraftflussoptimierte Strukturen realisiert werden.
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Für eine reproduzierbare Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Pulver ist unter anderem ein homogener Zustand der Bedingungen im Bereich der Fertigung von Bedeutung, da variierende Bedingungen z.B. zu unterschiedlich verfestigten Materialstrukturen führen können.
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EP 3 023 228 A1 offenbart eine Maschine zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Produkten auf einer Plattform, die eine Gasströmung über die Plattform zur Entfernung von z.B. Rauch aus der Wechselwirkungszone bereitstellt. Weitere Gaskreislaufkonfigurationen sind z.B. aus
DE 10 2010 052 206 A1 ,
DE 10 2006 014 835 A1 ,
WO 2010/007394 A1 und
EP 1 839 781 A2 bekannt.
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Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, die Absaugcharakteristik im Fertigungsraum und insbesondere im Bereich einer Bauplattform zu verbessern. Ferner liegt dieser Offenbarung die Aufgabe zugrunde, die Absaugleistung während eines LMF-Prozesses zu erhöhen, insbesondere ohne Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Bauplattform.
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Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Fertigungsvorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Pulver nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zur Absaugung eines Fertigungsraums für die generative Fertigung nach Anspruch 13. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einem Aspekt umfasst eine Fertigungsvorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Bauteils aus einem Pulver ein Hauptgehäuse, das in einem Fertigungsraum eine Arbeitsfläche bereitstellt, auf der ein Bauplattformbereich vorgesehen ist, ein mit einer Strahlquelle verbindbares optisches System zur Bereitstellung eines Strahls für die Bestrahlung von Pulver im Bauplattformbereich zum schichtweisen Herstellen des Bauteils und ein Schutzgassystem zum Bereitstellen eines Schutzgasflächenstroms im Fertigungsraum. Das Schutzgassystem weist mindestens eine Auslassöffnungsstruktur und eine Absaugöffnungsstruktur, die zum Einströmen von Gas in den Fertigungsraum bzw. zum Absaugen von Gas aus dem Fertigungsraum ausgebildet sind, auf. Die Auslassöffnungsstruktur und die Absaugöffnungsstruktur sind auf gegenüberliegenden Seiten des Hauptgehäuses derart angeordnet, dass der Schutzgasflächenstrom über die Arbeitsfläche zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Hauptgehäuses strömt. Ferner weist das Schutzgassystem mindestens eine sekundäre Auslassöffnung zum Einströmen von Gas in Richtung des Schutzgasflächenstroms in den Fertigungsraum auf, welche zur Ausbildung mindestens eines sekundären Schutzgasstroms ausgebildet ist, der das Strömungsprofil des Schutzgasflächenstroms mitbestimmt.
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In einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Absaugung eines Fertigungsraums für die generative Fertigung den Schritt des Bereitstellens eines Schutzgasflächenstroms, der flächig und parallel zu einer im Fertigungsraum vorgesehenen Arbeitsfläche über ein Pulverbett im Bauplattformbereich strömt und den Schritt des Erhöhens der Absaugleistung unter Beibehaltung der Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases oberhalb des Pulverbetts (und/oder Homogenisieren der Strömungsgeschwindigkeit des Schutzgases oberhalb des Pulverbetts) durch mindestens einen ergänzenden Schutzgasstrom, der seitlich, von oben und/oder schräg von oben dem Schutzgasflächenstrom zugeführt wird.
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In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine sekundäre Auslassöffnung am Frontrahmen, der Tür oder der Decke derart angeordnet und ausgebildet, dass der sekundäre Schutzgasstrom schräg zum Schutzgasflächenstrom ausströmt und einer Auffächerung des Schutzgasflächenstroms zur Seite und/oder nach oben entgegenwirkt. Dadurch kann das Strömungsprofil mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Bauplattformbereich, zumindest über eine im Bauplattformbereich angeordnete Bauplattform, ausgebildet werden. Beispielsweise kann die mindestens eine sekundäre Auslassöffnung an einer die gegenüberliegenden Seiten des Hauptgehäuses verbindenden Seitenwand und/oder oberhalb, seitlich und/oder seitlich oberhalb der Auslassöffnungsstruktur mit einer entsprechenden auf den Schutzgasflächenstrom gerichteten Ausströmungsrichtung vorgesehen sein.
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In einigen Ausführungsformen kann die Auslassöffnungsstruktur einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche erstreckenden Ausströmbereich zum Erzeugen eines flächig und parallel zur Arbeitsfläche strömenden Schutzgasflächenstroms aufweisen. Ebenso kann die Absaugöffnungsstruktur einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche erstreckenden Absaugbereich zum Aufnehmen eines flächig und parallel zur Arbeitsfläche strömenden Schutzgasflächenstroms aufweisen, und/oder die mindestens eine sekundäre Auslassöffnung einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche erstreckenden Ausströmbereich aufweisen. Optional können die Auslassöffnungsstruktur, die Absaugöffnungsstruktur und optional die mindestens eine sekundäre Auslassöffnung in einem im Wesentlichen gleichen Abstand oberhalb der Arbeitsfläche angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen kann das Schutzgassystem derart ausgebildet sein, dass der Schutzgasflächenstrom durch Gas, welches aus der mindestens einen sekundären Auslassöffnung in den Fertigungsraum einströmt, vor der Absaugöffnungsstruktur derart homogenisiert wird, dass sich eine nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit im Bauplattformbereich und/oder im Pulverreservoirbereich zwischen der Auslassöffnungsstruktur und der Absaugöffnungsstruktur ausbildet. Insbesondere kann die nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit unterhalb einer das Pulverbett aufwirbelnden Grenzgeschwindigkeit liegen.
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Die Orientierung des Schutzgasflächenstroms kann quer, schräg oder entlang zur Aufreihungsrichtung sein und er kann im Wesentlichen parallel zur Arbeitsfläche strömen. Die mindestens eine sekundäre Auslassöffnung kann eine Aufreihung von Auslassöffnungen umfassen.
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Beispielsweise kann die mindestens eine Auslassöffnungsstruktur im Bereich der Frontwand, insbesondere an oder in der Frontwand oder in einer Tür der Fertigungsvorrichtung, angeordnet sein und die Absaugöffnungsstruktur kann an oder in der Rückwand der Fertigungsvorrichtung angeordnet sein, oder umgekehrt. Ferner können die Auslassöffnungsstruktur und die Absaugöffnungsstruktur an gegenüberliegenden Seitenwänden der Fertigungsvorrichtung angeordnet sein.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Fertigungsvorrichtung ferner einen Bauzylinder, der einen absenkbaren, insbesondere für eine Bauplattform und zur Ausbildung eines Pulverbetts vorgesehenen, Stempel und einen durch die Ausmaße des Stempels begrenzten Bauteil-Pulver-Bereich aufweist, der durch eine Bestrahlungsöffnung in der Arbeitsfläche mit dem Bauplattformbereich verbunden ist, wobei das Schutzgassystem den Schutzgasflächenstrom im Wesentlich quer, schräg oder entlang zur Aufreihungsrichtung der Öffnungen in der Arbeitsfläche ausbildet.
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Ferner kann das Schutzgassystem eine Auslassöffnungsstruktur, insbesondere angeordnet an oder in einer Frontwand oder einer Tür der Fertigungsvorrichtung, und eine Absaugöffnungsstruktur, insbesondere angeordnet an oder in einer Rückwand der Fertigungsvorrichtung, umfassen. Die Auslassöffnungsstruktur und die Absaugöffnungsstruktur können an gegenüberliegenden Seiten der Bauplattform angeordnet sein. Die Auslassöffnungsstruktur und/oder die Absaugöffnungsstruktur können derart ausgebildet sein, dass sich ein in Richtung Bauplattform gerichteter, insbesondere laminarer, Strömungsverlauf des Schutzgasflächenstroms ausbildet.
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Des Weiteren kann das Schutzgassystem als Gaskreislauf ausgebildet sein, das eine Filtereinheit mit einem Trocknungsmedium zum Feuchtigkeitsentziehen aus dem Gas umfasst. Das Trocknungsmedium kann insbesondere in einem austauschbaren, und beispielsweise über Ventile abtrennbaren Bauteil im Gaskreislauf angeordnet sein. Allgemein kann das Schutzgassystem ferner einen Schutzgastank und/oder einen Schutzgasanschluss, ein Pumpensystem, Ventile und/oder Leitungen zum Verbinden der einzelnen Komponenten des insbesondere Argon oder Stickstoff führenden Gaskreislaufs umfassen. Das Schutzgassystem kann in einen Hauptgehäuseabschnitt, der beispielsweise unterhalb und hinter dem Fertigungsraum angeordnet ist, und einen, beispielsweise in eine Tür integrierten, (Tür-) Abschnitt untergliedert sein.
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In einigen Ausführungsformen ist das Schutzgassystem zum Bereitstellen eines Schutzgasflächenstroms ausgebildet, der einen Trocknungsgasstrom im Bereich des Pulvervorrats und einen Partikelabführgasstrom im Bereich der Bauplattform umfasst.
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Ein Vorteil der hierin beschriebenen Konzepte ist es, dass der Fertigungsraum durch die zusätzliche seitliche Zufuhr von Gas schneller abgesaugt werden kann und somit ein größerer Partikelabführgasstrom bewirkt wird. Ferner kann durch die seitliche Anordnung der sekundären Zuströmöffnungen und die sekundäre Einströmung ein Auffächern des Schutzgasflächenstroms zwischen dem Ort der Einströmung und dem Ort des Austritts unterdrückt werden. Insbesondere kann die sekundäre Einströmung eine Beschleunigung des Gasstroms über dem Baufeld im hinteren Bereich bewirken. Ohne sekundäre Einströmung könnte dagegen dort durch das Auffächern des Stroms eine Reduzierung der Geschwindigkeit eintreten, so dass sich die Fertigungsbedingungen im Bereich der Bauplattform (vorne - hinten) ändern. Entsprechend können es die hierin offenbarten Konzepte erlauben, aus dem gesamten Bereich der Fertigung unter vergleichbaren Bedingungen Partikel abzuführen und das 3D-Bauteil aufzubauen.
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Die hierin offenbarten Konzepte wirken sich insbesondere bei größeren Bauplattformen aus, die anfälliger für ein nachteiliges Auffächern des Schutzgasflächenstroms sind. Allgemein können die hierin beschriebenen Konzepte somit eine Stabilisierung des Fertigungsprozesses ermöglichen.
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Hierin werden Konzepte offenbart, die es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische räumliche Darstellung einer beispielhaften generativen Fertigungsvorrichtung,
- 2 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus 1 parallel zur XY-Ebene durch den Fertigungsraum,
- 3 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus 1 parallel zur XZ-Ebene durch den Fertigungsraum wie in 2 angedeutet,
- 4 eine schematische Schnittansicht der generativen Fertigungsvorrichtung aus 1 parallel zur YZ-Ebene durch den Fertigungsraum wie in 2 angedeutet und
- 5 eine Skizze zur Verdeutlichung eines beispielhaften Gaskreislaufs einer generativen Fertigungsvorrichtung.
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Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass ein Strömungsverlauf im Fertigungsraum zu unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und damit zu einer räumlich variierenden Auswirkung der Strömung auf den Fertigungsprozess führen kann. Ferner wurde erkannt, dass im Fertigungsraum durch gezieltes seitliches Zuströmen, insbesondere mit der gleichen oder einer im Vergleich zur Hauptströmung reduzierten Strömungsgeschwindigkeit, die Ausbildung der Strömung in einem relevanten Bereich/in relevanten Bereichen homogenisiert werden kann.
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Ferner erlaubt der zusätzliche Zustrom eine vergrößerte Absaugung und damit einen schnelleren Austausch des Gases im Fertigungsraum, dies ohne dabei Strömungsgeschwindigkeiten nahe von Pulver zu erreichen, die das Pulver bewegen und insbesondere aufwirbeln würden.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 eine Ausführungsform einer LMF-Maschine erläutert, die zur Bereitstellung eines derartigen, in den Herstellungsprozess integrierten, Strömungsverlaufs ausgebildet ist. 5 zeigt einen beispielhaften Gaskreislauf zum Einsatz in derartigen LMF-Maschinen.
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In
1 ist eine beispielhafte generative Fertigungsvorrichtung
1 zur Erzeugung eines 3D-Bauteils 3 aus einem Pulver
5 gezeigt. Zum Fertigungsvorgang wird auf die eingangs erwähnte
EP 2 732 890 A2 verwiesen. Die Fertigungsvorrichtung
1 umfasst ein Hauptgehäuse
11, das einen Fertigungsraum
13 bereitstellt. Eine Frontwand
15 begrenzt den Fertigungsraum
13 auf der Vorderseite. Das Hauptgehäuse
11 weist ferner eine Rückwand
18, zwei Seitenwände
16A,
16B und eine Decke auf, die zusammen den Fertigungsraum
13 definieren. Die Frontwand
15 weist einen Frontrahmen
15A mit einer Öffnung
17 auf, durch die ein Zugang zum Fertigungsraum
13 der Fertigungsvorrichtung
1 ermöglicht wird. Die Öffnung
17 kann während des Herstellungsprozesses durch eine z.B. an der Frontwand
15 angebrachte Tür
31 (Griff
31A, Verschluss
31B) geschlossen werden (siehe
2). Bei geöffneter Tür
31 besteht Zugang zum Fertigungsraum
13 der Fertigungsvorrichtung
1 (siehe
1) und ein Bediener kann z.B. die notwendigen Vorbereitungsschritte wie Reinigen des Fertigungsraums
13 und Wiederbefüllen eines Pulvervorratsbehälters vornehmen und das fertiggestellte Bauteil
3 entnehmen.
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1 zeigt ferner einen Schieber 19 (auch Wischer genannt) zum Verteilen des Pulvers 5 während des Herstellungsprozesses. Der Herstellungsprozess findet auf einer Arbeitsfläche 21 statt, die den Boden des Fertigungsraums 13 bildet. Die Arbeitsfläche 21 weist einen Bauplattformbereich 23A, einen Pulverreservoirbereich 23B und (optional) einen Pulversammelbereich 23C auf. Der Bauplattformbereich 23A kann zentral bezüglich der Öffnung 17 vorgesehen werden. In ihm findet der Bestrahlungsvorgang zur Herstellung des 3D-Bauteils 3 statt. Der Pulverreservoirbereich 23B dient der Bereitstellung von frischem Pulver 5A, das zur lagenweisen Herstellung des 3D-Bauteils 3 in den Bauplattformbereich 23A mit dem Schieber 19 übertragen wird.
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Wie in 2 gezeigt, ist der Bauplattformbereich 23A in X-Richtung zwischen dem Pulverreservoirbereich 23B und dem Pulversammelbereich 23C angeordnet. Der Pulverreservoirbereich 23B weist einen z.B. zylinderförmigen Pulvervorratsbehälter 25 auf, dessen oberes Ende in einer (Pulver-) Bereitstellungsöffnung 21B der Arbeitsfläche 21 mündet. Mithilfe eines Stempels 25A kann nach und nach beispielsweise metallisches oder keramisches Pulver 5 aus dem Pulvervorratsbehälter 25 bis über die Arbeitsfläche 21 angehoben werden (entlang Pfeil 26). Wird eine neue Lage zur Bestrahlung benötigt, kann mit dem Schieber 19 das über die Arbeitsfläche 21 hinausragende frische Pulver 5A seitlich in X-Richtung in den Bauplattformbereich 23A verschoben werden. Entsprechend erstreckt sich der Schieber 19 in 2 in Y-Richtung, welche orthogonal zur Frontwand 15 und parallel zur Arbeitsfläche 21 verläuft.
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Der Bauplattformbereich 23A weist einen z.B. zylinderförmigen Bauzylinder 27 mit einem absenkbaren, eine Plattform zur Ausbildung eines Pulverbetts bereitstellenden Stempel 27A auf. Durch das Absenken bildet sich ein durch die Plattform begrenzter Bauteil-Pulver-Bereich aus, der durch die Bestrahlungsöffnung 21A in der Arbeitsfläche 21 mit dem Bauplattformbereich 23A verbunden ist. Wurde eine Schicht des Bauteils 3 durch Verschmelzen von Pulver 5 gebildet, wird der Stempel 27A abgesenkt, so dass sich eine durch eine Bestrahlungsöffnung 21A in der Arbeitsfläche 21 begrenzte Vertiefung ausbildet, in die frisches Pulver mit dem Schieber 19 verschoben werden kann, so dass sich eine neue obere Pulverlage im zu bestrahlenden Pulverbett ausbildet. Nicht zum Aufbau der neuen Lage benötigtes Pulver kann mit dem Schieber 19 durch eine Öffnung 21C der Arbeitsfläche 21 im Pulversammelbereich 23C z.B. zur Wiederverwertung in einen Sammelbehälter verschoben werden.
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Das Hauptgehäuse 11 weist ferner zumindest Teile eines Schutzgassystems 41 auf, wie z.B. einen Schutzgastank und/oder einen Schutzgasanschluss und ein Pumpensystem (nicht gezeigt) sowie eine Filtereinheit 71 (schematisch in 1 angedeutet). Das Schutzgassystem 41 erlaubt es, den Fertigungsraum 13 mit z.B. inertem Gas wie Argon oder Stickstoff während des Herstellungsprozesses zu fluten. Weitere Details des Schutzgassystems 41 werden nachfolgend insbesondere in Zusammenhang mit 5 erläutert.
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Ein Bestrahlungssystem kann an ein auf dem Hauptgehäuse 11 z.B. über dem Bauplattformbereich 23A angebrachtes optisches System 51 angeschlossen werden. Das Bestrahlungssystem ist zur Erzeugung von Strahlung, z.B. Laserlicht, welche das Pulver 5 zu Materialschichten eines Bauteils 11 verschmelzen kann, ausgebildet. Es basiert beispielsweise auf einem Faser- oder Scheibenlasersystem. Alternativ kann Laserlicht von einer derartigen Quelle zum optischen System 51 am Hauptgehäuse 11 geführt werden. Das optische System 11 weist ein Scanner-System auf, das die Strahlung in einem auf das Bauteil 3 abgestimmten Pfad im Bauplattformbereich 23A zum lokalen Aufschmelzen der obersten Pulverlage des Pulverbetts führen kann.
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Wie eingangs angesprochen findet während der Wechselwirkung der Strahlung/des Laserlichts mit dem Pulver ein Spülen des Fertigungsraums 13 statt, wodurch insbesondere Rauchgase mit Partikeln aus dem Fertigungsraum entfernt werden.
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Das Schutzgassystem 41 ist derart ausgelegt, dass sich ein Schutzgasflächenstrom 40 im Fertigungsraum 13 ausbildet, der ein besonders günstiges Strömungsprofil aufweist und sich flächig über der Bestrahlungsöffnung 21A in der Arbeitsfläche 21 zur Rauchgasentfernung ausbildet. Ergänzend oder alternativ zur Rauchgasentfernung aus der aktuellen Fertigungszone kann der Schutzgasflächenstrom 40 z.B. im Bereich der Öffnung 21B der Arbeitsfläche 21 als Oberflächentrocknungsstrom über die oberste Pulverlage des Pulvervorratsbehälters 25 strömen (in den 1 bis 3 durch gestrichelte Pfeile und Strukturen angedeutet).
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In der gezeigten Ausführungsform bildet sich der Schutzgasflächenstrom 40 im Wesentlichen quer zur Aufreihungsrichtung (hier der X-Richtung) der Öffnungen 21A, 21B parallel zur Arbeitsfläche 21 aus, d.h. er strömt entsprechend in Y-Richtung über die Öffnungen 21A, 21B in der Arbeitsfläche 21. Der Schutzgasflächenstrom 40 wird in seinem Strömungsprofil durch Gasströme 42A, die aus Öffnungen 46A in der an den Pulverreservoirbereich 23B angrenzenden Seitenwand 16A seitlich in den Fertigungsraum 13 einströmen, mitgeformt. Alternativ oder ergänzend können ferner Gasströme 42B aus sekundären Auslassöffnungen 46B (gestrichelt angedeutet) in der an den Pulversammelbereich 23C angrenzenden Seitenwand 16B vorgesehen werden.
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In der beispielhaft in den 1 bis 4 gezeigten Umsetzung des angestrebten Strömungsverlaufs im Fertigungsraum 13 wird der Strömungsverlauf beispielhaft in Kombination mit einem speziellen Strömungsverlauf zur Rußabfuhr umgesetzt. Dabei strömt der Schutzgasflächenstrom 40 von der Tür 31 aus zur Rückwand 18 (oder in entgegengesetzter Richtung) über den Bauplattformbereich 23A hinweg. Hierin steht Ruß stellvertretend für Kleinstpartikel, die bei der Wechselwirkung des z.B. Laserlichts mit dem Pulver entstehen können. Um eine Beeinflussung des Herstellungsprozesses (Ablagerung auf Optiken oder dem Bauteil selbst) zu verhindern, können diese Kleinstpartikel durch eine entsprechende Strömung aus dem Wechselwirkungsbereich geblasen und anschließend abgesaugt werden. Dabei soll der Schutzgasflächenstrom 40 allerdings nicht die Qualität der Fertigung beeinflussen, d.h. z.B. nicht das Pulverbett aufwühlen.
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Das Schutzgassystem 41 umfasst beispielhaft einen Hauptgehäuseabschnitt, der beispielsweise unterhalb und hinter dem Fertigungsraum 13 angeordnet ist, und einen in die Tür 31 integrierten Türabschnitt. Der Hauptgehäuseabschnitt umfasst z.B. den Schutzgastank und/oder den Schutzgasanschluss an eine externe Schutzgasquelle, ein Pumpensystem und die Filtereinheit 71.
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Die Filtereinheit 71 ist mit einer oder mehreren Absaugöffnungsstrukturen 55 in der Rückwand 18 über eine Leitung fluidverbunden. Die Absaugöffnungsstruktur 55 ist im Bereich des Pulverreservoirbereichs 23B nahe der Arbeitsfläche 21 angeordnet und in 2 schematisch angedeutet.
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Ferner ist die Filtereinheit 71 mit einer oder mehreren Auslassöffnungsstrukturen 45 in der Tür 31 fluidverbunden. Dazu umfasst der Hauptgehäuseabschnitt des Schutzgassystems 41 eine Leitung zur Frontwand 15, die in einer (Gehäuse-) Anschlussöffnung 43A in einem von der Tür 31 abgedeckten Bereich mündet. Die Anschlussöffnung 43A steht bei geschlossener Tür 31 über eine (Tür-) Anschlussöffnung 43B und Verbindungsleitungen in Fluidverbindung mit dem Türabschnitt des Schutzgassystems 41.
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Zum Erzeugen eines flächig und parallel zur Arbeitsfläche 21 strömenden Schutzgasflächenstroms 40 umfasst die Auslassöffnungsstruktur 45 beispielsweise einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche 21 erstreckenden Ausströmbereich. In 1 wird ein derartiger länglicher Ausströmbereich durch eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten runden Öffnungen gebildet.
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Entsprechend kann die Absaugöffnungsstruktur 55 einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche 21 erstreckenden Absaugbereich zum Aufnehmen des flächig und parallel zur Arbeitsfläche 21 strömenden Schutzgasflächenstroms 40 umfassen. In 3 ist ein derartiger Absaugbereich schematisch durch ein längliches Rechteck, das sich parallel zur Arbeitsfläche 21 erstreckt, angedeutet.
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Ferner bilden beispielhaft auch die vier sekundären Auslassöffnungen 46A in 4 einen länglichen, sich parallel zur Arbeitsfläche 21 erstreckenden Ausströmbereich aus.
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In einigen Ausführungsformen können ferner z.B. schaltbare Ventile vorgesehen werden, um das Ausströmen des Schutzgases aus der Auslassöffnungsstruktur 45 und den sekundären Auslassöffnungen 46A, 46B zu kontrollieren. Ferner können die Auslassöffnungsstruktur 45 und/oder die Absaugöffnungsstruktur 55 und/oder die sekundären Auslassöffnungen 46A, 46B derart geformt sein, dass sich ein möglichst laminarer (in Richtung Bereitstellungsöffnung 21B) gerichteter Strömungsverlauf möglichst nah über der Arbeitsfläche 21 ausbildet.
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Wie in 1 angedeutet, können die sekundären Auslassöffnungen 46A als eine Aufreihung von Auslassöffnungen auf mindestens einer der Seitenwände 16A, 16B ausgebildet werden. Beispielhaft sind jeweils vier Bohrungen pro Seitenwand 16A, 16B umgesetzt. Diese haben jeweils beispielsweise einen Durchmesser von einigen 10 mm, z.B. 60 mm. In diese Aussparungen können geformte Blechdüsen eingeschraubt werden, die den sekundären Gasstrom aus entsprechend z.B. auf 50 mm verjüngte Öffnung z.B. seitlich (oder abwärts) gerichtet austreten lassen. So können z.B. Absätze vorgesehen werden, um Lochbleche oder Düsen in die Bohrungen einsetzten zu können. Diese zusätzlichen Einströmöffnungen können ferner andere Positionen und Formen aufweisen, wobei auch die Ausbildung möglicher Einsätze variabel an unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten - bedingt z.B. durch unterschiedlich große Fertigungsräume - angepasst werden kann.
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Zur Ausbildung eines laminaren, sich parallel zur Arbeitsfläche 21 erstreckenden Strömungsprofils sind die Auslassöffnungsstruktur 45, die Absaugöffnungsstruktur 55 und die eine oder mehreren sekundären Auslassöffnungen 46A, 46B in einem im Wesentlichen gleichen Abstand oberhalb der Arbeitsfläche 21 angeordnet.
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Allgemein ist das Schutzgassystem 41 dazu ausgebildet, den Schutzgasflächenstrom 40 durch Gas, welches aus der einen oder den mehreren sekundären Auslassöffnungen 46A, 46B in den Fertigungsraum 13 einströmt, vor der Absaugöffnungsstruktur 55 derart zu homogenisieren, dass sich eine nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit im Bauplattformbereich 23A und/oder im Pulverreservoirbereich 23B zwischen der Auslassöffnungsstruktur 45 und der Absaugöffnungsstruktur 55 ausbildet. In 5 sind beispielsweise Strömungsgeschwindigkeiten v1 und v2 den (bzgl. der Zugänglichkeit des Fertigungsraums 13) vorderen bzw. hinteren Bereichen zugeordnet. Ziel der Einstellung des aus den sekundären Auslassöffnungen 46A, 46B tretenden Gasstroms ist es, die Strömungsgeschwindigkeiten v1 und v2 in ihrer Größe anzupassen. Die Erhöhung der Absaugleistung bewirkt eine Beschleunigung des Primärstroms über der Bauplattform im hinteren Bereich, der andernfalls zu langsam überströmt werden könnte. Insbesondere soll dabei eine nahezu konstante Strömungsgeschwindigkeit bewirkt werden, die unterhalb einer das Pulverbett aufwirbelnden Grenzgeschwindigkeit liegt.
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Dazu weist die generative Fertigungsvorrichtung 1 eine Steuerungseinheit zum Einstellen der Geschwindigkeit und/oder der Menge des aus der mindestens einen sekundären Auslassöffnung 46A, 46B austretenden Gases sowie zum Einstellen der Absaugleistung durch die Absaugöffnungsstruktur 55 auf. Letztere kann bei zusätzlichem seitlichen Einströmen von Gas durch die Auslassöffnungen 46A, 46B erhöht werden, ohne dass nahe des Pulverbetts eine zu große Strömungsgeschwindigkeit vorliegt. Allgemein kann so viel Gas abgesaugt werden, wie auch eingeströmt wird. D.h., eine Erhöhung des Einströmvolumens durch zusätzliches seitliches Einströmen zieht eine Erhöhung der Absaugung nach sich.
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Ohne zusätzliches seitliches Einströmen von Gas durch die Auslassöffnungen 46A, 46B kann der Querstrom auffächern, so dass die Strömungsgeschwindigkeit v2 (nahe dem Ausgang) kleiner als die Strömungsgeschwindigkeit v1 (nahe dem Einlass) wird und somit räumlich variierende Bedingungen z.B. hinsichtlich der Rauchabfuhr oberhalb des Pulverbetts entstehen können, die den Fertigungsprozess insbesondere bei großen Bauplattformen beeinflussen können.
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Allgemein ist das Schutzgassystem 41 dazu ausgebildet, auf einer Seite des Hauptgehäuses 11 in Richtung der Arbeitsfläche 21 Schutzgas ausströmen zu lassen und auf einer gegenüberliegenden Seite das Schutzgas abzuführen.
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Ferner kann der Schieber 19 derart geformt sein oder während der Fertigung derart positioniert werden, dass sich ein möglichst gleichförmiger Strömungsverlauf ergibt. Beispielsweise kann während der Bestrahlung der Schieber 19 in einer Warteposition zwischen dem Pulverreservoirbereich 23B und dem Bauplattformbereich 23A positioniert werden (siehe 2), damit sich die unterschiedlichen Ströme zur Trocknung und zur Rußabfuhr nur wenig beeinflussen. Dabei wird das Strömungsprofil über die Gasströme 42A, 42B beeinflusst. Ferner können die jeweiligen Ströme in Abhängigkeit vom aktuellen Verfahrensschritt aktiviert, reduziert oder ganz unterbunden werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Schieber 19 einen Vorrat an mittransportierem Pulver, so dass auch Fertigungsvorrichtungen zur generativen Fertigung mit einer Arbeitsfläche ohne Pulverreservoirbereich 23B, und damit kompakter, umgesetzt werden können. Dabei wird der Vorrat an mittransportierem Pulver z.B. außerhalb der Arbeitsfläche aufgefüllt.
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Wie zuvor beispielhaft erläutert wurde, kann die Umsetzung der hierin offenbarten Konzepte in die Schutzgasspülung des Gesamtsystems, insbesondere die Schutzgasspülung zumindest eines Großteils des Fertigungsraums, während des gesamten Fertigungsprozesses integriert werden. Ferner kann das Schutzgas in einem Gaskreislauf zirkulieren, in dem der Gasstrom mit einem Trockenmittel getrocknet wird und evtl. zusätzlich mit einem Filter zur Abscheidung von Kleinstpartikeln/Schwebstoffen wie z.B. Ruß gereinigt wird. Alternativ kann der Gasstrom Teil eines übergeordneten Gastrocknungs- und Reinigungsprozesses sein, d.h., trockenes Gas wird zugeführt und das angefeuchtete Gas wird einer zentralen Aufbereitung zugeführt.
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In 5 ist ein Gaskreislauf schematisch gezeigt. Man erkennt den Schutzgasflächenstrom 40, der quer zur längeren Ausdehnung der rechteckig ausgebildeten Arbeitsfläche 21 strömt. Ferner erkennt man die seitlich einfließenden Gasströme 42A, 42B, die gemeinsam an der Rückwand abgesaugt werden. Über Gasleitungen 52 wird das feuchte und/oder Ruß aufweisende Schutzgas der Filtereinheit 71 zugeführt.
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Die Filtereinheit 71 weist ein Feinstfilter 73 zur Entfernung von Partikeln aus dem Gas auf. Eine anschließende Trocknung des Gasstroms erfolgt durch Überleitung über ein Trocknungsmedium in einem bevorzugt leicht austauschbaren Bauteil, beispielsweise einem Rohr 75. Das Rohr 75 kann beispielsweise durch Ventile 77 an beiden Enden vom Gaskreislauf abgetrennt werden, so dass das verwendete Trocknungsmedium leicht und schnell ausgetauscht werden kann. Allgemein können Verunreinigungen z.B. mit einem weiteren Filter (nicht gezeigt) oder mit entsprechend feinporiger Verpackung des Trocknungsmediums vermieden werden.
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Der gereinigte und getrocknete Gasstrom wird anschließend über Leitungen 52 und evtl. Ventile 79 in den Fertigungsraum 13 zurückgeführt. Dabei kann der Gasstrom unterschiedlichen Auslassöffnungen zugeführt werden, wobei die Ventile 79 zur Einstellung der Strömungswege und der Durchflussraten mit einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) angesteuert werden können.
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In der beispielhaft in den Figuren gezeigten Ausführungsform sind die Auslassöffnungsstruktur 45 und die Absaugöffnungsstruktur 55 auf der Seite der Frontwand 15, insbesondere in der Tür 31 der Fertigungsvorrichtung 1 und an oder in der Rückwand 18 der Fertigungsvorrichtung 1 angeordnet. Die hierin offenbarten Konzepte zur Vermeidung des Auseinanderlaufens und/oder zum Ausgleichen der Geschwindigkeiten ist allerdings ebenso auf eine invertierte Strömungsrichtung (z.B. von hinten / von der Rückwand nach vorne / zur Frontwand) bzw. auf Strömungsrichtungen von links nach rechts bzw. von rechts nach links (z.B. zwischen den Seitenwänden) anwendbar.
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Allgemein kann mindestens eine sekundäre Auslassöffnung derart am Frontrahmen, der Tür oder der Decke angeordnet und ausgebildet sein, dass von ihr ein sekundärer Schutzgasstrom schräg zum Schutzgasflächenstrom ausgeströmt werden kann, der einer Auffächerung des Schutzgasflächenstroms zur Seite und/oder nach oben entgegenwirkt, und diese bevorzugt kompensiert bzw. verhindert. Dadurch kann insbesondere das Strömungsprofil mit einer im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Bauplattformbereich, zumindest über eine im Bauplattformbereich angeordnete Bauplattform ausgebildet werden.
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Allgemein kann dem Auseinanderfächern des Schutzgasflächenstroms 40 sowohl von der Seite als auch von oben entgegengewirkt werden, um die Strömung möglichst umfassend in Richtung der Absaugöffnungsstruktur zu zwingen. In einigen Ausführungsformen kann schon ein allein seitlich, bevorzugt von beiden Seiten seitlich, oder allein von oben wirkender ergänzender Schutzgasstrom genügen. So kann ein aus der Decke und/oder der Tür (bzw. je nach Strömungsrichtung aus der Rückwand) strömender ergänzender Schutzgasstrom von oben auf den sich auffächernden Schutzgasflächenstrom 40 einwirken. Dadurch kann der ergänzende Schutzgasstrom den sich durch die Auffächerung verlangsamenden Schutzgasflächenstrom 40 auf im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit in einer laminaren Strömung nahe des Pulverbetts halten, auch wenn es zu einer seitlichen Auffächerung des Schutzgasflächenstroms 40 (in 2 entlang der X-Achse) kommen sollte. Beispielhaft ist in 4 eine oberhalb der Auslassöffnungsstruktur 45 angeordnete sekundäre Auslassöffnung 46C mit zur Horizontalen schrägverlaufenden Wänden schematisch angedeutet.
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Ferner kann der in vertikaler Richtung wirkende ergänzende Schutzgasstrom einen oder mehrere seitlich wirkende ergänzende Schutzgasströme aus seitlichen sekundären Auslassöffnungen unterstützen. Ferner können seitlich wirkende Schutzgasströme auch mit neben der Auslassöffnungsstruktur vorgesehenen Auslassöffnungen, die beispielsweise eine, durch z.B. eine entsprechende Wandung, seitlich auf den Schutzgasflächenstrom 40 gerichtete Ausströmungsrichtung aufweisen, erzeugt werden.
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Allgemein kann ein seitlicher Schutzgasstrom den vom Schutzgasflächenstrom 40 transportierten Schmauch/die Partikel direkt in Richtung der in der parallel zur Arbeitsfläche 21 (meist horizontal) länglich ausgebildeten Absaugöffnungsstruktur führen.
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Ferner wurde in der beispielhaft in den Figuren gezeigten Ausführungsform eine Strömung über den Pulverreservoirbereich 23B und über den Bauplattformbereich 23A angedeutet. Da eine Pulvertrocknung nicht notwendig sein muss bzw. durch andere Maßnahmen als die eines trocknenden Gasstroms bewirkt werden kann, sind ferner Ausdehnungen von Gasströmen denkbar, die sich im Wesentlichen auf den Bauplattformbereich 23A beschränken. Die hierin offenbarten Konzept zur Vermeidung des Auseinanderlaufens und/oder zum Ausgleichen der Geschwindigkeiten können entsprechend umgesetzt werden. Überdies könnte ein seitlich eintretender sekundärer Gasstrom zur (unterstützenden) Trocknung des Pulvers im Pulverreservoirbereich 23B genutzt werden, insbesondere wenn nur Öffnungsstrukturen 45, 55 für die Bauplattform (z.B. in Tür und Rückwand zentriert zur Bauplattform) vorgesehen sind und keine weiteren Öffnungsstrukturen für den Pulverreservoirbereich 23B genutzt werden.
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LMF-Maschinen, in denen die hierin beschriebenen Konzepte eingesetzt werden können, umfassen beispielsweise die Anlagen „mysint 100“, „TruPrint 1000“ und „TruPrint 3000“.
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Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2732890 A1 [0002]
- EP 3023228 A1 [0004]
- DE 102010052206 A1 [0004]
- DE 102006014835 A1 [0004]
- WO 2010/007394 A1 [0004]
- EP 1839781 A2 [0004]
- EP 2732890 A2 [0024]
