DE102016203513A1

DE102016203513A1 - Vorrichtung und Verfahren mit Filterung eines Prozessgases

Info

Publication number: DE102016203513A1
Application number: DE102016203513.4A
Authority: DE
Inventors: Torsten Burkert; Felix Haeckel; Jonas Hartinger; Maximilian Meixlsperger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen umfassend eine Prozesskammer (10) zum Herstellen eines Werkstücks innerhalb des Prozessraums, wobei die Prozesskammer (10) von Kammerwänden (11) umgeben ist und in wenigstens einer der Kammerwände (11) eine Zuführvorrichtung (20) zum Zuführen einer definierten Gasmenge eines Gases zum Herstellen einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer (10) vorgesehen ist sowie eine Gasabführeinrichtung (30) zum Abtransport des Gases aus der Prozesskammer (10), wobei die Gasabführvorrichtung (30) mit einem Filter (31) zum Filtern des durch den Laserschmelzprozess verunreinigten Gases ausgestattet ist und mit einem Mittel (40) gekoppelt ist, welches den Filterwiderstand RF (Strömungswiderstand) des Filters (31) konstant oder nahezu konstant hält.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstückes mittels selektivem Laserschmelzen bei dem der Filterwiderstand RF eines Filters zum Filtern des abtransportierten Prozessgases konstant oder nahezu konstant gehalten wird.
Die Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken und Bauteilen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beim sogenannten 3D-Druck werden z. B. dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut unter Zuhilfenahme einer Computersteuerung. Hierzu werden aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen, entsprechend den vorgegebenen CAD-Daten, die gewünschten Formkörper schichtweise in einem kontinuierlichen Herstellungsprozess erzeugt. Während des Prozesses finden physikalische oder chemische Härtungs- und/oder Schmelzprozesse statt, die nur in gewünschter Qualität unter definierten und stabilen Herstellungsbedingungen sicher ablaufen.
Die wichtigsten bekannten Verfahren sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen, welches typischerweise für metallische Werkstoffe eingesetzt wird. Ferner ist das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle bekannt. Darüber hinaus wird auch die sogenannte Stereolithografie und das Digital Light Processing zum Beispiel für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze angewendet.
Gegenüber dem klassischen Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den wesentlichen Vorteil, dass keine teuren Spritzgussformen benötigt werden und demnach auch ein Wechsel dieser Formen entfällt.
Bei allen Verfahren haben sich im Laufe der Zeit diverse Prozesseinflüsse aufgetan, welche einen unmittelbaren Einfluss auf das Ergebnis und damit die Qualität haben.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit den selektiven Laserschmelzverfahren (Selective Laser Melting; kurz: SLM) und den unmittelbar damit verwandten oder abgeleiteten Verfahren, die sich das Laserschmelzprinzip zu Nutze machen. Bei diesem Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff typischerweise in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der so aufgebrachte pulverförmige Werkstoff wird dann mittels Laserstrahlung lokal an den gewünschten Stellen vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Form. Dieser Prozess wird schichtweise wiederholt bis alle Schichten umgeschmolzen sind.
Um die Kontaminierung des Werkstoffs während dem Schmelzprozess mit Sauerstoff und Umgebungsluft zu vermeiden, findet der Prozess unter Schutzgasatmosphäre statt. Typische verwendete Schutzgase sind z. B. Argon oder Stickstoff. Anders als beim Schutzgasschweißen von metallischen Fügepartner, ist eine definierte Schutzgasatmosphäre nötig.
Nachteilig ist demnach bei solchen Verfahren, dass die im Prozess verwendeten Gase, die chemisch reagieren oder Verschmutzen, während dem Prozess wieder aus dem Prozessraum entfernt werden müssen und sich bei unzureichender Schutzgasatmosphäre die Qualität des Produktes unerwünscht ändert. Anders ausgedrückt, bedeutet dies, dass es mit den im Stand der Technik bekannten Lösungen schwierig ist, die Prozessbedingungen unter Schutzgasatmosphäre kontinuierlich herzustellen oder über die Herstellungsdauer stabil zu halten.
Es kommt insbesondere zu unerwünschten Verschmutzungen von Filtern in den SLM-Anlagen durch die verunreinigten Prozessgase, die den erforderlichen und stetigen Abtransport des Gases zur Herstellung der Schutzgasatmosphäre verhindern. Das Problem nimmt stetig mit zunehmender Verschmutzung des Filters zu. Der Zustrom von Schutzgas und der Abtransport des verschmutzten Gases werden dadurch gestört, sowie die Qualität des Schutzgases vermindert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren bereit zu stellen, welches eine konstante Prozessbedingung über einen gewünschten Zeitraum zur Durchführung des selektiven Laserschmelzverfahren sicherstellt, insbesondere ohne die Notwendigkeit den Prozess zu Reinigungszwecken unterbrechen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Prozessbedingungen betreffend der Schutzgasatmosphäre nach dem Fluten einer Prozesskammer mit einem Prozessgas (Schutzgas) zur Herstellung von Schutzgasbedingungen konstant gehalten werden. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Filterwiderstand im Bereich des Gasabtransportes konstant zu halten, so dass sich nicht ständig ändernde Schutzgasbedingungen in der Kammer einstellen.
Sobald ein eingesetzter Filter verschmutzt, wird das Strömungsgleichgewicht zwischen zuströmendem Schutzgas und abtransportiertem (gefiltertem) Schutzgas unerwünscht verändert, da der Filterwiderstand zunimmt. Mit zunehmender Verschmutzung steigt der Filterwiderstand weiter an und ändert sich, wie zuvor erläutert, das Ergebnis unerwünscht beim selektiven Laserschmelzverfahren.
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen vorgeschlagen, umfassend eine Prozesskammer zum Herstellen eines Werkstücks innerhalb der Prozesskammer, wobei die Prozesskammer von Kammerwänden umgeben ist und in wenigstens einer der Kammerwände eine Zuführvorrichtung zum (definierten) Zuführen einer bestimmten Gasmenge eines Gases (Schutzgases) zum Herstellen einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer vorgesehen ist sowie eine Gasabführeinrichtung zum Abtransport einer bestimmten Gasmenge des Gases aus der Prozesskammer, wobei die Gasabführvorrichtung mit einem Filter zum Filtern des durch den Laserschmelzprozess verunreinigten Gases (Schutzgases) ausgestattet ist und mit einem Mittel gekoppelt ist, welches den Filterwiderstand RF oder den Strömungswiderstand des Filters konstant oder nahezu konstant hält.
Unter „nahezu konstant“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Bedingung zu verstehen, bei der der Filterwiderstand des Filters im Bereich der Gasabführvorrichtung weniger als 5% zunimmt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Filter Bereiche aufweist, die innerhalb des wirksamen Strömungsquerschnitt der Gasabführvorrichtung und Bereiche, die außerhalb des Strömungsquerschnittes der Gasabführeinrichtung angeordnet sind. Der Strömungsquerschnitt der Gasabführvorrichtung zum Abtransport des Gases aus der Prozesskammer ist derjenige Querschnitt, der im Transportkanal effektiv zum Durchströmen des Gases im Bereich des Filters vorgesehen ist. Dies kann zum Beispiel der Querschnitt eines Rohres im Filterbereich sein, durch den das Schutzgas aus der Prozesskammer entfernt wird.
Weiter Vorteilhaft ist es, wenn der Filter aus einem Filtermaterial derart ausgebildet ist, dass ein ausgewählter Filtermaterialabschnitt innerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases angeordnet ist, während sich der gesamte nicht ausgewählte weitere Filtermaterialabschnitt außerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases befindet. Besonders von Vorteil ist in diesem Zusammenhang, wenn das genannte Mittel zum Herstellen eines nahezu konstanter Filterwiderstands einen gewünschten Filtermaterialabschnitt des Filters in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases hineinbewegen kann, so dass dieser Abschnitt als Filter in der Gasabführeinrichtung wirkt. So kann ein verschmutzter Bereich ohne Unterbrechung des Verfahrens aus dem Strömungsquerschnitt entfernt werden, während gleichzeitig ein noch nicht verschmutzter Filtermaterialabschnitt in den Strömungsquerschnitt hineinbewegt werden kann. Hierzu sind mit Vorteil Dichtungsmittel am oder benachbart zum Filter so vorgesehen, dass bei der Bewegung des Filters zum Einbringen eines gewünschten Filtermaterialabschnittes in den Strömungsquerschnitt, die Abdichtung nach Außen gewährleistet ist, so dass nur bestimmungsgemäß Schutzgas aus der Prozesskammer befördert werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein System aus mehreren Filtersystemen vorgesehen die über eine Weiche zugeschaltet werden können. Während sich die Filtersysteme außerhalb des Luftstroms befinden, werden diese über ein integriertes Reinigungssystem gereinigt um einen konstanten Filterwiderstand zu gewährleisten. Den Filterelementen ist ein System aus in reihe- oder parallelgeschalteten Zyklon- oder Labyrinthabscheidern vorgeschaltet.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das genannte Mittel einen bestimmten Filtermaterialabschnitt des Filters in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases zu einem bestimmten vordefinierten Zeitpunkt oder nach Detektion einer Widerstandsänderung ∆RF des Filterwiderstands hineinbewegt.
Im ersten Fall, kann erfindungsgemäß eine Änderung des effektiv wirksamen Filtermaterialabschnittes abhängig von den spezifischen Herstellungsbedingungen z. B. in einem definierten Zeitintervall erfolgen, so dass keine Überwachung des Filterwiderstands notwendig ist. Hierzu können für die jeweils gerade vorherrschenden Prozessbedingungen feste Prozesszeiten definiert bzw. ermittelt werden, bis zu denen typischerweise eine Widerstandserhöhung bis zu einem bestimmten Schwellenwert (z. B. 5%) eintritt. Wir auf diese Weise regelmäßig der effektiv wirkende Filtermaterialabschnitt geändert, so ist sichergestellt, dass der Filterwiderstand nahezu konstant bleibt.
In einer alternativen Ausgestaltung kann ferner ein Detektor vorgesehen sein, um Änderungen des Filterwiderstands RF unmittelbar oder mittelbar zu detektieren, vorzugsweise eine Erhöhung des Filterwiderstands bis zu einem definierten Schwellenwert von vorzugsweise 1% bis 5% zu erfassen. Sämtliche, wenn auch nicht im Einzelnen genannten in diesem Intervall liegenden Zwischenwerte gelten ausdrücklich als geeignete Zwischenwerte im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Es ist weiter mit Vorteil vorgesehen, wenn der Detektor mit dem genannten Mittel so gekoppelt ist, dass bei einer Detektion einer bestimmten Änderungen des Filterwiderstands RF über ein entsprechendes Signal das Mittel unmittelbar oder mittelbar (z. B. über eine Steuerung) aktivieren kann, um einen bestimmten Filtermaterialabschnitt des Filters in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases hineinzubewegen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass der Filter einen bandförmigen Filter (Filterband) aufweist bzw. darstellt. Hierbei ist ein Filterband gemeint, welches sich mit einer Breite in etwa in der Breite des Filters entlang einer Längserstreckungsrichtung über eine deutlich größere Länge erstreckt, als die effektive Breite bzw. Länge des Strömungsquerschnitts, z. B das 100-fache. Ein solches Filterband kann mit Vorteil auf- und abgewickelt werden und über entsprechende Auf- und Abwickeleinheiten im Bereich des Strömungsquerschnitts transportiert werden.
Bevorzugt wird ferner vorgeschlagen, dass das besagte Mittel eine Antriebseinrichtung ist, um das Filterband von einem ersten Bandabschnitt (z. B. vom Bandanfang) zu einem dazu beabstandeten Bandabschnitt (z.B. das Bandende) des Filterbandes bewegen zu können, wobei sich jeweils ein zum Strömungsquerschnitt des abzutransportierenden Gases korrespondierender Filtermaterialabschnitt des Filterbands im Bereich des Strömungsquerschnitts befindet.
Bevorzugt ist hierzu das Filterband als ein rollenfömig aufwickelbares oder aufgewickeltes Filterband ausgebildet, wobei in einer alternativen, weniger vorteilhaften Ausgestaltung das Filterband auch als endloses Band ausgebildet sein kann, so dass ein rotatorischer Transport möglich ist. Bei einer solchen Ausgestaltung, könnte je nach Filtermaterial eine zwischengeschaltete Reinigungs- und/oder Trockenstation vorgesehen werden, um verschmutzte Filtermaterialabschnitte, die sich außerhalb des Strömungsquerschnitts befinden zu reinigen, so dass diese später wieder zum Einsatz kommen könnten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer wie beschriebenen Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen, umfassend eine Prozesskammer zum Herstellen eines Werkstücks innerhalb der Prozesskammer, wobei mit besagtem Mittel der Filterwiderstand RF oder der Strömungswiderstand des Filters konstant oder nahezu konstant gehalten wird, in dem jeweils ein nicht verschmutzter Filtermaterialabschnitt des Filters abstromseitig in den Strömungsquerschnitt eingebracht wird.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
In der 1 ist eine Vorrichtung 1 zum selektiven Laserschmelzen mit einer Prozesskammer 10 zum Herstellen eines Werkstücks W innerhalb des Prozessraums der Prozesskammer 10 gezeigt.
Die Prozesskammer 10 ist umfänglich von Kammerwänden 11 umgeben. In der rechten Kammerwand 11 ist eine Zuführvorrichtung 20 zum Zuführen einer definierten Gasmenge eines Gases zum Herstellen einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer 10 vorgesehen. In der linken Kammerwand 11 ist eine Gasabführeinrichtung 30 zum Abtransport des Gases aus der Prozesskammer 10 gezeigt. Die Gasabführvorrichtung 30 ist mit einem Filter 31 zum Filtern des durch den Laserschmelzprozess verunreinigten Gases ausgestattet ist. Ferner sind Mittel 40 vorgesehen, die mit dem Filter 31 gekoppelt sind, um den Filterwiderstand RF des Filters 31 im Bereich der Gasabführeinrichtung 30 konstant bzw. nahezu konstant zu halten. Der Filterwiderstand RF ist dabei derjenige Widerstandswert der den Strömungswiderstand des Filters in einem nicht verschmutzten Zustand (d. g. einem Lieferzustand vor Verwendung) definiert.
Der Filter 31 ist als bandförmiger Filter (Filterband) ausgebildet und verläuft von der Abwickelvorrichtung 40a (auf dem das unbenutzte Filterband aufgewickelt ist) zu einer Aufwickelvorrichtung 40b, auf der das verschmutzte Filterband nach Verwendung aufgewickelt wird.
Der Filter 31 bzw. ein wirksamer Filterbandabschnitt 32 ist innerhalb des Strömungsquerschnittes der Gasabführeinrichtung 30 angeordnet. Der Filter 31 ist demzufolge aus einem bandförmigen Filtermaterial derart ausgebildet, dass ein ausgewählter Filtermaterialabschnitt 32 jeweils innerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases angeordnet ist, während sich der gesamte nicht ausgewählte weitere Filtermaterialabschnitt 33 außerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases befindet.
Das Mittel 40 stellt eine Antriebseinrichtung dar, welche einen gewünschten Filtermaterialabschnitt 32 des Filters 31 in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases hineinbewegen kann, so dass dieser Abschnitt als Filter in der Gasabführeinrichtung 30 wirkt. Dies kann, wie im vorliegenden Fall gezeigt, über eine Antriebseinrichtung 40 erfolgen, welche mit sowohl der Abwickelvorrichtung 40a und der Aufwickelvorrichtung 40b antriebswirksam gekoppelt ist.
Ferner ist ein Detektor 50 vorgesehen, um Änderungen des Filterwiderstands R_F zu detektieren, vorzugsweise eine Erhöhung des Filterwiderstands über einen vorbestimmten Schwellenwert zwischen 1% bis 5%. Nach Detektion einer Widerstandserhöhung um z. B. 3% kann mittels der Antriebseinrichtung 40 der jeweils gerade vor dem Filters 31 befindliche Filtermaterialabschnitt 32 in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases bewegt werden, während sich der Filtermaterialabschnitt bei dem die Widerstandserhöhung um z. B. 3% festgestellt wurde, gleichzeitig nach in Richtung zur Aufwickelvorrichtung 40b bewegt (in der 1 nach unten).
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Vorrichtung (1) zum selektiven Laserschmelzen umfassend eine Prozesskammer (10) zum Herstellen eines Werkstücks innerhalb des Prozessraums, wobei die Prozesskammer (10) von Kammerwänden (11) umgeben ist und in wenigstens einer der Kammerwände (11) eine Zuführvorrichtung (20) zum Zuführen einer definierten Gasmenge eines Gases zum Herstellen einer Schutzgasatmosphäre innerhalb der Prozesskammer (10) vorgesehen ist sowie eine Gasabführeinrichtung (30) zum Abtransport des Gases aus der Prozesskammer (10), wobei die Gasabführvorrichtung (30) mit einem Filter (31) zum Filtern des durch den Laserschmelzprozess verunreinigten Gases ausgestattet ist und mit einem Mittel (40) gekoppelt ist, welches den Filterwiderstand R_F des Filters (31) konstant oder nahezu konstant hält.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (31) zumindest teilweise innerhalb eines Strömungsquerschnittes der Gasabführeinrichtung (30) zum Abtransport des Gases aus der Prozesskammer (10) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (31) aus einem Filtermaterial derart ausgebildet ist, dass ein ausgewählter Filtermaterialabschnitt (32) innerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases angeordnet ist, während sich der gesamte nicht ausgewählte weitere Filtermaterialabschnitt (33) außerhalb des Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases befindet.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (40) einen gewünschten Filtermaterialabschnitt (32) des Filters (31) in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases hineinbewegen kann, so dass dieser Abschnitt als Filter in der Gasabführeinrichtung (30) wirkt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (40) einen bestimmten Filtermaterialabschnitt (32) des Filters (31) in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases zu einem bestimmten vordefinierten Zeitpunkt oder nach Detektion einer Widerstandsänderung ∆RF des Filterwiderstands hineinbewegt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Detektor (50) vorgesehen ist, um Änderungen des Filterwiderstands RF über einen definierten Schwellenwert zu detektieren, vorzugsweise eine Erhöhung des Filterwiderstands von 1% bis 5%.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (50) mit dem Mittel (40) gekoppelt ist, so dass bei einer Detektion der Änderungen des Filterwiderstands RF ein entsprechendes Signal das Mittel (50) aktivieren kann, um einen bestimmten Filtermaterialabschnitt (32) des Filters (31) in den Strömungsquerschnitts des abtransportierten Gases hineinzubewegen.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (31) einen bandförmigen Filter (Filterband) aufweist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (50) eine Antriebseinrichtung ist, um das Filterband von einem ersten Bandabschnitt zu einem dazu beabstandeten Bandabschnitt des Filterbandes transportieren zu können, wobei sich jeweils ein zum Strömungsquerschnitt des abzutransportierenden Gases korrespondierender Filtermaterialabschnitt (32) des Filterbands im Bereich des Strömungsquerschnitts befindet.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterband ein endloses Band oder ein rollenfömig aufwickelbares oder aufgewickeltes Filterband darstellt.
Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei innerhalb der Prozesskammer zum Herstellen eines Werkstücks der Filterwiderstand RF oder der Strömungswiderstand des Filters konstant oder nahezu konstant gehalten wird, in dem jeweils nach Detektion einer Änderung des Filterwiderstandes über einen bestimmten Schellenwert hinaus ein nicht verschmutzter Filtermaterialabschnitt des Filters abstromseitig in den Strömungsquerschnitt eingebracht wird.