DE102018121136A1 - Layer construction device for additive manufacturing of at least one component area of a component, method for operating such a layer construction device and storage medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung (10) zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils (40) durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung (10) umfasst eine Prozesskammer (20), innerhalb welcher zumindest ein Baufeld (I) zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs aus einem Werkstoff (56), wenigstens eine Strömungsleiteinrichtung (16), welche mindestens einen Kanal (36) mit einer Austrittsöffnung (14a) zum Einleiten eines Schutzgases in die Prozesskammer (20) umfasst, und eine bezüglich des Baufelds (I) ortsfeste Gasauslasseinrichtung (30) zum Abführen des Schutzgases aus der Prozesskammer (20) angeordnet sind. Die Strömungsleiteinrichtung (16) ist dazu ausgebildet, im Betrieb der Schichtbauvorrichtung (10) einen die Austrittsöffnung (14a) umfassenden Endbereich des Kanals (36) der Strömungsleiteinrichtung (16) oberhalb einer Ebene des Baufelds (I) anzuordnen und derart relativ zur Ebene des Baufelds (I) zu bewegen, dass zumindest ein überwiegender Teil des Schutzgases entlang einer zur Ebene des Baufelds (I) zumindest im Wesentlichen parallelen Hauptströmungsrichtung (H) lokal über einen Teilbereich des Baufelds (I) leitbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung (10) sowie ein Speichermedium mit einem Programmcode zum Steuern einer solchen Schichtbauvorrichtung (10).The invention relates to a layer construction device (10) for the additive production of at least one component area of a component (40) by an additive layer construction method. The layer construction device (10) comprises a process chamber (20), within which at least one construction field (I) for layer-by-layer construction of the component area from a material (56), at least one flow guiding device (16) which has at least one channel (36) with an outlet opening ( 14a) for introducing a protective gas into the process chamber (20), and a gas outlet device (30) which is stationary with respect to the construction field (I) for discharging the protective gas from the process chamber (20). The flow guide device (16) is designed to arrange an end region of the channel (36) of the flow guide device (16) surrounding the outlet opening (14a) above a level of the construction field (I) during operation of the layer construction device (10) and thus relative to the level of the construction field (I) that at least a predominant part of the protective gas can be conducted locally over a partial area of the construction field (I) along a main flow direction (H) which is at least substantially parallel to the plane of the construction field (I). The invention further relates to a method for operating such a layer construction device (10) and a storage medium with a program code for controlling such a layer construction device (10).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung sowie ein Speichermedium mit einem Programmcode zum Steuern einer solchen Schichtbauvorrichtung.The invention relates to a layer construction device for the additive production of at least one component area of a component, a method for operating such a layer construction device and a storage medium with a program code for controlling such a layer construction device.
Bei so genannten additiven bzw. generativen Fertigungsverfahren (sog. Rapid Manufacturing- bzw. Rapid Prototyping-Verfahren) wird ein Bauteilbereich bzw. ein vollständiges Bauteil, bei dem es sich beispielsweise um ein Bauteil einer Strömungsmaschine bzw. eines Flugtriebwerks handeln kann, schichtweise aufgebaut. Vorwiegend metallische Bauteile werden in der Regel durch Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelz- oder -sinterverfahren hergestellt. Dabei wird zunächst schichtweise ein meist pulverförmiger Werkstoff im Bereich eines Baufelds bzw. einer Aufbau- und Fügezone aufgetragen, um eine Pulverschicht zu bilden. Anschließend wird der Werkstoff lokal verfestigt, indem dem Werkstoff im Bereich des Baufelds Energie mittels wenigstens eines Energiestrahls zugeführt wird, wodurch der Werkstoff schmilzt bzw. sintert und eine Bauteilschicht bildet. Der Energiestrahl wird dabei in Abhängigkeit einer Schichtinformation der jeweils herzustellenden Bauteilschicht gesteuert. Die Schichtinformationen werden üblicherweise aus einem 3D-CAD-Körper des Bauteils erzeugt und in einzelne Bauteilschichten unterteilt. Nach dem Verfestigen des geschmolzenen Werkstoffs wird die Bauplattform schichtweise um eine vordefinierte Schichtdicke abgesenkt. Danach werden die genannten Schritte bis zur endgültigen Fertigstellung des gewünschten Bauteilbereichs oder des gesamten Bauteils wiederholt. Der Bauteilbereich bzw. das Bauteil kann dabei grundsätzlich auf einer Bauplattform oder auf einem bereits erzeugten Teil des Bauteils oder Bauteilbereichs bzw. auf einer Stützstruktur hergestellt werden. Die Vorteile dieser additiven Fertigung liegen insbesondere in der Möglichkeit, sehr komplexe Bauteilgeometrien mit Hohlräumen, Hinterschnitten und dergleichen im Rahmen eines einzelnen Verfahrens herstellen zu können.In so-called additive or generative manufacturing processes (so-called rapid manufacturing or rapid prototyping processes), a component area or a complete component, which can be, for example, a component of a turbomachine or an aircraft engine, is built up in layers. Mainly metallic components are usually manufactured by laser or electron beam melting or sintering processes. First, a mostly powdery material is applied in layers in the area of a construction field or a build-up and joining zone in order to form a powder layer. The material is then solidified locally by supplying energy to the material in the area of the construction field by means of at least one energy beam, as a result of which the material melts or sinters and forms a component layer. The energy beam is controlled as a function of layer information of the component layer to be produced in each case. The layer information is usually generated from a 3D CAD body of the component and divided into individual component layers. After the molten material has solidified, the building platform is lowered in layers by a predefined layer thickness. Then the steps mentioned are repeated until the desired completion of the desired component area or the entire component. The component area or the component can in principle be produced on a construction platform or on an already generated part of the component or component area or on a support structure. The advantages of this additive manufacturing lie in particular in the possibility of being able to produce very complex component geometries with cavities, undercuts and the like in a single process.
Als problematisch bei diesen Schichtbauverfahren ist der Umstand anzusehen, dass sich häufig Zonen mit Verwirbelungen der Pulverschicht oder Staub sowie sonstige Verunreinigungen wie etwa Kondensat, Rauch oder Spratzer bilden, die sich unkontrolliert auf dem Baufeld, auf aufgeschmolzenem Pulver oder auf bereits verfestigten Bereichen der Bauteilschicht ablagern. Dies kann zu entsprechenden Verunreinigungen, Einschlüssen und Prozessstörungen und damit letztlich zu einer Verminderung der Bauteilqualität führen.The fact that zones with swirling of the powder layer or dust as well as other contaminants such as condensate, smoke or spatter, which accumulate in an uncontrolled manner on the construction site, on melted powder or on already solidified areas of the component layer, is problematic with these layer construction methods . This can lead to corresponding contamination, inclusions and process disruptions and ultimately to a reduction in component quality.
Um derartige Probleme zu verringern, ist es bekannt, über einen Kanal Schutzgas zu einer Decke einer Prozesskammer der verwendeten Schichtbauvorrichtung zu leiten, um einen globalen, das heißt auf das gesamte Baufeld wirkenden Schutzgasstrom zu erzeugen, der von oben in die Prozesskammer auf das Baufeld geleitet und über eine in der Prozesskammer im Bereich des Baufelds angeordnete globale Gasauslasseinrichtung wieder abgeführt wird, um das Aufsteigen von Rauch, Staub, Kondensat und dergleichen zu verhindern und etwaige Verunreinigungen abzutransportieren. Allerdings darf der Schutzgasstrom nicht zu stark eingestellt werden, da er ansonsten die Pulverschicht aufwirbeln würde. Daher ist ein solcher globaler Schutzgasstrom nur eingeschränkt wirksam gegen die genannten Verunreinigungen.In order to reduce such problems, it is known to lead protective gas via a channel to a ceiling of a process chamber of the layer construction device used in order to generate a global protective gas stream, that is to say to the entire construction field, which flows from above into the process chamber onto the construction field and is discharged again via a global gas outlet device arranged in the process chamber in the area of the construction field in order to prevent the rise of smoke, dust, condensate and the like and to remove any contaminants. However, the protective gas flow must not be set too high, since it would otherwise stir up the powder layer. Such a global shielding gas flow is therefore only effective to a limited extent against the contaminants mentioned.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtbauvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung anzugeben, welche eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Speichermedium mit einem Programmcode anzugeben, welcher eine entsprechende Steuerung einer solchen Schichtbauvorrichtung sicherstellt.The object of the present invention is to provide a layer construction device and a method for operating such a layer construction device, which enable a process-reliable additive production of component layers of a component of higher quality. Another object of the invention is to provide a storage medium with a program code which ensures appropriate control of such a layer construction device.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Schichtbauvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Schichtbauvorrichtung gemäß Patentanspruch 14 sowie durch ein Speichermedium gemäß Patentanspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltung der jeweils anderen Erfindungsaspekte und umgekehrt anzusehen sind.The objects are achieved according to the invention by a layer construction device with the features of claim 1, by a method for operating such a layer construction device according to
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Schichtbauvorrichtung zur additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren. Die Schichtbauvorrichtung weist eine Prozesskammer auf, innerhalb welcher zumindest ein Baufeld zum schichtweisen Aufbauen des Bauteilbereichs aus einem Werkstoff, wenigstens eine Strömungsleiteinrichtung, welche mindestens einen Kanal mit einer Austrittsöffnung zum Einleiten eines Schutzgases in die Prozesskammer umfasst, und eine bezüglich des Baufelds ortsfeste Gasauslasseinrichtung zum Abführen des Schutzgases aus der Prozesskammer angeordnet sind. Eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Qualität wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Strömungsleiteinrichtung dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schichtbauvorrichtung einen die Austrittsöffnung, d. h. einen Gaseinlass, umfassenden Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung oberhalb einer Ebene des Baufelds anzuordnen und derart relativ zur Ebene des Baufelds zu bewegen, dass zumindest ein überwiegender Teil des Schutzgases entlang einer zur Ebene des Baufelds zumindest im Wesentlichen parallelen Hauptströmungsrichtung lokal über einen Teilbereich des Baufelds leitbar ist. Mit anderen Worten ist es im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, dass mittels der Strömungsleiteinrichtung kein globaler, sondern ein lokaler Schutzgasstrom erzeugbar ist, der dementsprechend nicht auf das gesamte Baufeld, sondern nur auf einen Teilbereich des Baufelds wirkt. Mit anderen Worten strömt der lokale Schutzgasstrom nicht innerhalb eines Volumens der Prozesskammer, das oberhalb der gesamten Fläche des Baufelds liegt, sondern nur innerhalb eines Volumens der Prozesskammer, das oberhalb einer Teilfläche des Baufelds liegt. Der Teilbereich bzw. die Teilfläche kann dabei grundsätzlich eine Fläche aufweisen, die 90 %, 89 %, 88 %, 87 %, 86 %, 85 %, 84 %, 83 %, 82 %, 81 %, 80 %, 79 %, 78 %, 77 %, 76 %, 75 %, 74 %, 73 %, 72%, 71 %, 70 %, 69 %, 68 %, 67 %, 66 %, 65 %, 64 %, 63 %, 62 %, 61 %, 60 %, 59 %, 58 %, 57 %, 56 %, 55 %, 54 %, 53 %, 52 %, 51 %, 50 %, 49 %, 48 %, 47 %, 46 %, 45 %, 44 %, 43 %, 42 %, 41 %, 40 %, 39 %, 38 %, 37 %, 36 %, 35 %, 34 %, 33 %, 32 %, 31 %, 30 %, 29 %, 28 %, 27 %, 26 %, 25 %, 24 %, 23 %, 22 %, 21 %, 20 %, 19 %, 18 %, 17 %, 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10 %, 9 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 4 %, 3 %, 2 %, 1 % oder weniger der Gesamtfläche des Baufelds entspricht, wobei entsprechende Zwischenwerte als mitoffenbart anzusehen sind. Die Erstreckung des lokalen Schutzgasstroms wird hierbei derart ermittelt, dass im Bereich einer Projektion ausgehend von der Austrittsöffnung des Kanals eine Strömungsgeschwindigkeit oberhalb einer vorgegebenen Mindestgeschwindigkeit liegt und/oder ein Volumenstrom oberhalb eines vorgegebenen Mindestwerts liegt und/oder ein Massenstrom oberhalb eines vorgegebenen Mindestwerts liegt und/oder eine Strömungsrichtung innerhalb einer vorgegebenen Maximalabweichung liegt, wobei sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Ausdehnung des lokalen Schutzgasstroms berücksichtigt werden. Vorzugsweise wird bei der Ermittlung der Erstreckung des lokalen Schutzgasstroms lediglich ein baufeldnahes Volumen der Prozesskammer oberhalb des Baufelds betrachtet. Beispielsweise kann die vorgegebene Mindestgeschwindigkeit 30% oder 50% der Maximalgeschwindigkeit nach dem Austreten des Prozessgases aus der Austrittsöffnung betragen. Beispielsweise kann die vorgegebene Maximalabweichung 30° oder 45° relativ zu der Strömungsrichtung, die der Schutzgasstrom beim Austreten aus der Austrittsöffnung hat, betragen. Mittels dieser Kriterien kann der lokale Schutzgasstrom z. B. von Turbulenzen oder von ungerichtet innerhalb der Prozesskammer verlaufenden Gasbewegungen, aber auch von einem global das Baufeld überströmenden Schutzgasstrom nach dem Stand der Technik unterschieden werden. Durch die Bewegbarkeit der Austrittsöffnung kann der Flächenanteil des von Schutzgas überströmten Teilbereichs des Baufelds während eines mit Hilfe der Schichtbauvorrichtung durchgeführten Schichtbauverfahrens ein- oder mehrfach variiert werden. Eine einfache Möglichkeit zur Einstellung des maximal möglichen Teilbereichs kann beispielsweise durch eine entsprechende Wahl oder Einstellung der horizontalen Abmessung der Austrittsöffnung erfolgen. Weiterhin wird der Schutzgasstrom mittels der Strömungsleiteinrichtung derart erzeugt, dass seine Hauptströmungsrichtung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung des Kanals nicht senkrecht zum Baufeld, sondern in einem Abstand parallel oder annähernd parallel zum Baufeld bzw. zu einer Ebene, die das Baufeld umfasst, ausgerichtet ist. Unter einer zumindest im Wesentlichen parallelen Hauptströmungsausrichtung des Schutzgasstroms sind neben exakt parallelen Hauptströmungsausrichtungen, das heißt exakt parallel zu einer x-/y-Ebene der Schichtbauvorrichtung angeordneten Hauptströmungen, auch geringfügig, das heißt um ± 20° von einer exakt parallelen Ausrichtung abweichende Hauptströmungsausrichtungen zu verstehen, also beispielsweise betragsmäßig um 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 7°, 8°, 9°, 10°, 11°, 12°, 13°, 14°, 15°, 16°, 17°, 18°, 19° oder 20° abweichende Hauptströmungsausrichtungen, jeweils gemessen an der Austrittsöffnung des Kanals bzw. einer Einleiteinrichtung des Kanals. Die Hauptströmungsausrichtung des Schutzgasstroms kann beispielsweise über das arithmetisches Mittel einer Anzahl von Strömungsrichtungen bestimmt werden, wobei die einzelnen Strömungsrichtungen oder -linien z. B. gemessen, simuliert oder anderweitig ermittelt werden können. Die Abweichungen sollten aber generell auf Winkel beschränkt werden, bei denen gewährleistet ist, dass der Schutzgasstrom in einem Abstand zur Pulverschicht über die Pulverschicht geleitet wird und diese nicht aufgewirbelt oder anderweitig beeinträchtigt. Hierdurch können Verunreinigungen besonders zuverlässig abgeführt werden, da eine vergleichsweise starke Schutzgasströmung unmittelbar im Bereich der Verunreinigungen erzeugt werden kann, ohne dass es zu einem unerwünschten Aufwirbeln der Pulverschicht kommt. Durch die zumindest im Wesentlichen parallele Ausrichtung kann zudem das bisher erforderliche Umlenken einer senkrecht auf das Baufeld gerichteten Schutzgasströmung vermieden werden. Eine etwaige Ausbreitung bzw. Auffächerung des Schutzgasstroms nach dem Austritt aus dem Kanal kann toleriert und über geringe Distanzen beispielsweise durch eine entsprechende Ausrichtung und Gestaltung der Austrittsöffnung des Kanals sowie durch Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Volumenstroms des Schutzgases ausreichend kontrolliert werden. Da die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung zudem relativ zum Baufeld bewegbar ist, kann der Kanal bzw. seine Austrittsöffnung bedarfsweise dort positioniert werden, wo zu einem bestimmten Zeitpunkt die meisten Verunreinigungen auftreten. Da lediglich ein lokaler Schutzgasstrom erzeugt werden muss, ist zudem das benötigte Schutzgasvolumen wesentlich geringer als bei globalen Schutzgasströmen, wodurch die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung einfacher realisierbar ist und geringere Betriebskosten verursacht. Der Kanal ist vorzugsweise als Verschlauchung oder Verrohrung ausgebildet, die beispielsweise über eine Schnittstelle in einer Wandung der Prozesskammer mit einem außerhalb der Prozesskammer angeordneten Gasvorrat verbunden ist, aus dem Gas innerhalb des Kanals zur Austrittsöffnung transportiert wird. Die Prozesskammer der Schichtbauvorrichtung umfasst einen Hohlraum oberhalb des Baufelds, das Baufeld bildet in der Regel einen Teil einer Bodenfläche der Prozesskammer. Die Prozesskammer umfasst (insbesondere senkrecht) aufsteigende Wandungen, deren Anordnung häufig einer z. B. rechteckigen Umrissform des Baufelds folgt und die einen gewissen Abstand zum Baufeld einhalten. Der Hohlraum der Prozesskammer wird nach oben hin abgeschlossen von einer Decke, die z. B. horizontal ausgebildet sein, aber auch Schrägen umfassen kann. Die Gasauslasseinrichtung kann in einer Wandung der Prozesskammer und/oder angrenzend an einen bzw. nahe einem Rand des Baufelds angeordnet sein. Die Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung bildet eine in der Regel im Wesentlichen vertikale Schnittstelle zwischen einem Hohlraum einer Gasabführung stromabwärts der Eintrittsöffnung und einem durch die Prozesskammer gebildeten Hohlraum.A first aspect of the invention relates to a layer construction device for the additive production of at least one component region of a component by an additive layer construction method. The layer construction device has a process chamber, within which at least one construction field for layer-by-layer construction of the component area from a material, at least one flow guide device which comprises at least one channel with an outlet opening for introducing a protective gas into the process chamber, and a gas outlet device which is stationary with respect to the construction field for discharge of the protective gas from the process chamber are arranged. A process-reliable additive production of component layers of a component with a higher quality is achieved according to the invention in that the flow guiding device is designed to operate the layer construction device Arrange outlet opening, ie a gas inlet, comprising the end region of the channel of the flow guide device above a plane of the construction field and move it relative to the plane of the construction field in such a way that at least a predominant part of the protective gas runs locally over a sub-region along a main flow direction that is at least substantially parallel to the construction field plane of the construction site is conductive. In other words, in contrast to the prior art, it is provided that the flow guide device does not generate a global, but rather a local, protective gas stream, which accordingly does not affect the entire construction site, but only a sub-area of the construction site. In other words, the local protective gas flow does not flow within a volume of the process chamber that lies above the entire area of the construction field, but only within a volume of the process chamber that lies above a partial area of the construction field. The partial area or partial area can basically have an area that 90%, 89%, 88%, 87%, 86%, 85%, 84%, 83%, 82%, 81%, 80%, 79%, 78%, 77%, 76%, 75%, 74%, 73%, 72%, 71%, 70%, 69%, 68%, 67%, 66%, 65%, 64%, 63%, 62% , 61%, 60%, 59%, 58%, 57%, 56%, 55%, 54%, 53%, 52%, 51%, 50%, 49%, 48%, 47%, 46%, 45 %, 44%, 43%, 42%, 41%, 40%, 39%, 38%, 37%, 36%, 35%, 34%, 33%, 32%, 31%, 30%, 29%, 28%, 27%, 26%, 25%, 24%, 23%, 22%, 21%, 20%, 19%, 18%, 17%, 16%, 15%, 14%, 13%, 12% , 11%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1% or less corresponds to the total area of the construction site, with corresponding intermediate values to be regarded as also disclosed. The extent of the local protective gas flow is determined in such a way that in the area of a projection, starting from the outlet opening of the channel, a flow speed is above a predetermined minimum speed and / or a volume flow is above a predetermined minimum value and / or a mass flow is above a predetermined minimum value and / or a flow direction lies within a predetermined maximum deviation, both a horizontal and a vertical expansion of the local protective gas flow being taken into account. Preferably, when determining the extent of the local protective gas flow, only a volume of the process chamber above the construction field that is close to the construction field is considered. For example, the predetermined minimum speed can be 30% or 50% of the maximum speed after the process gas has emerged from the outlet opening. For example, the predetermined maximum deviation can be 30 ° or 45 ° relative to the direction of flow that the protective gas flow has when exiting the outlet opening. Using these criteria, the local protective gas flow z. B. from turbulence or from undirected gas movements within the process chamber, but also from a globally overflowing protective gas stream according to the prior art. Due to the mobility of the outlet opening, the proportion of the area of the partial area of the construction field over which protective gas flows can be varied one or more times during a layer construction method carried out with the aid of the layer construction device. A simple possibility for setting the maximum possible partial area can be done, for example, by a corresponding choice or setting of the horizontal dimension of the outlet opening. Furthermore, the protective gas flow is generated by means of the flow guiding device in such a way that its main flow direction after emerging from the outlet opening of the channel is not perpendicular to the construction field, but rather at a distance parallel or approximately parallel to the construction field or to a plane that comprises the construction field. An at least substantially parallel main flow orientation of the protective gas flow is to be understood in addition to exactly parallel main flow orientations, that is to say main flows arranged exactly parallel to an x / y plane of the layer construction device, also slightly, that is to say main flow orientations deviating from an exactly parallel orientation by ± 20 ° , for example in terms of amount by 1 °, 2 °, 3 °, 4 °, 5 °, 6 °, 7 °, 8 °, 9 °, 10 °, 11 °, 12 °, 13 °, 14 °, 15 °, 16 °, 17 °, 18 °, 19 ° or 20 ° deviating main flow orientations, each measured at the outlet opening of the channel or an inlet device of the channel. The main flow orientation of the protective gas flow can be determined, for example, by the arithmetic mean of a number of flow directions, the individual flow directions or lines, for. B. measured, simulated or otherwise determined. However, the deviations should generally be limited to angles at which it is ensured that the protective gas flow is conducted over the powder layer at a distance from the powder layer and does not whirl it up or otherwise impair it. In this way, contaminants can be removed particularly reliably, since a comparatively strong protective gas flow can be generated directly in the region of the contaminants without the powder layer being undesirably whirled up. Due to the at least substantially parallel alignment, the previously required deflection of a protective gas flow directed perpendicular to the construction field can also be avoided. Any spreading or fanning out of the protective gas flow after exiting the channel can be tolerated and adequately controlled over short distances, for example by appropriate alignment and design of the outlet opening of the channel and by controlling the flow rate or the volume flow of the protective gas. Since the flow guide device according to the invention is also relative to the construction site If necessary, the channel or its outlet opening can be positioned where most contaminants occur at a certain point in time. Since only a local shielding gas stream has to be generated, the shielding gas volume required is also considerably less than in the case of global shielding gas streams, as a result of which the flow guide device according to the invention can be implemented more easily and causes lower operating costs. The channel is preferably configured as tubing or piping, which is connected, for example via an interface in a wall of the process chamber, to a gas supply arranged outside the process chamber, from which gas is transported within the channel to the outlet opening. The process chamber of the layer construction device comprises a cavity above the construction field, the construction field generally forms part of a bottom surface of the process chamber. The process chamber comprises (in particular vertically) ascending walls, the arrangement of which is often a z. B. follows a rectangular outline of the construction site and maintain a certain distance from the construction site. The cavity of the process chamber is closed at the top by a ceiling that z. B. be formed horizontally, but can also include slopes. The gas outlet device can be arranged in a wall of the process chamber and / or adjacent to or near an edge of the construction field. The inlet opening of the gas outlet device generally forms an essentially vertical interface between a cavity of a gas outlet downstream of the inlet opening and a cavity formed by the process chamber.
Zusammenfassend ermöglicht es die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung, einen Schutzgasstrom über eine Distanz zwischen der mobilen Auslassöffnung des Kanals und der stationären Gasauslasseinrichtung zu leiten. Hierdurch kann eine Ausbreitung von Verunreinigungen innerhalb der Prozesskammer besonders effektiv verhindert und ein schnellerer und direkter Abtransport der Verunreinigungen zur Gasauslasseinrichtung bewirkt werden. Ein Einsatz der Strömungsleiteinrichtung in Verbindung mit der unbeweglichen Gasauslasseinrichtung ermöglicht es zudem vorteilhaft, auf eine oder mehrere mobile, das heißt relativ zum Baufeld bewegbare globale oder lokale Gasauslasseinrichtung(en) zu verzichten. Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden. Als Schutzgas kann generell jedes geeignete Gas oder Gasgemisch verwendet werden, das unter den jeweiligen Herstellungsbedingungen nicht zu einer Verschlechterung der Bauteilqualität führt. Beispielsweise kann das Schutzgas Argon und/oder ein anderes Edelgas bzw. Edelgasgemisch (He, Ne, Kr, Xe) umfassen oder sein. Vorzugsweise weist das Schutzgas möglichst geringe Verunreinigungen an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Wasser(dampf) auf. Unter einer möglichst geringen Verunreinigung werden jeweils Gehalte von höchstens 20 ppm, insbesondere von höchstens 10 ppm oder weniger verstanden.In summary, the flow guide device according to the invention enables a protective gas flow to be conducted over a distance between the mobile outlet opening of the channel and the stationary gas outlet device. In this way, the spreading of contaminants within the process chamber can be prevented particularly effectively and the contaminants can be transported to the gas outlet device more quickly and directly. Use of the flow guide device in conjunction with the immovable gas outlet device also advantageously makes it possible to dispense with one or more mobile, that is to say movable global or local gas outlet device (s) that can be moved relative to the construction site. In general, "one / one" are to be read as indefinite articles within the scope of this disclosure, ie without "explicitly stated otherwise" as "at least one / at least one". Conversely, "one / one" can also be understood as "only one / only one". Any suitable gas or gas mixture which does not lead to a deterioration in the component quality under the respective production conditions can generally be used as the protective gas. For example, the protective gas can comprise or be argon and / or another noble gas or noble gas mixture (He, Ne, Kr, Xe). The protective gas preferably has minimal impurities in oxygen, nitrogen, hydrogen and water (steam). The lowest possible contamination means contents of at most 20 ppm, in particular of at most 10 ppm or less.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einer Pulverschicht des Werkstoffs im Bereich des Baufelds und/oder mindestens eine Strahlungsquelle zum Erzeugen wenigstens eines Energiestrahls zum schichtweisen und lokalen Verschmelzen und/oder Versintern des Werkstoffs zum Ausbilden einer Bauteilschicht durch selektives Bestrahlen des Werkstoffs mit dem wenigstens einen Energiestrahl umfasst. Die Schichtbauvorrichtung kann beispielsweise grundsätzlich als selektive Lasersinter- und/oder Laserschmelzvorrichtung ausgebildet sein und einen oder mehrere Laser als Strahlungsquelle(n) aufweisen. Zur Erzeugung eines Laserstrahls als Energiestrahl kann beispielsweise ein CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser, Diodenlaser oder dergleichen vorgesehen sein. Ebenso ist es möglich, dass die Vorrichtung als Elektronenstrahlsinter- und/oder -schmelzvorrichtung ausgebildet ist, das heißt eine oder mehrere Elektronenquellen als Strahlungsquelle(n) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls als Energiestrahl aufweist. Auch beliebige Kombinationen von elektromagnetischer Strahlung und Teilchenstrahlung sind denkbar. In Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs und der Bestrahlungsstrategie kann es beim Bestrahlen zu einem Aufschmelzen und/oder zu einem Versintern des Werkstoffs kommen, so dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Verschweißen“ auch „Versintern“ und umgekehrt verstanden werden kann. Vorzugsweise werden der oder die Energiestrahlen über einen oder mehrere energiestrahltransparente Bereiche der Prozesskammerwandung und/oder Prozesskammerdecke (z. B. Einkoppelfenster) in die Prozesskammer eingekoppelt bzw. eingelassen und durchqueren den Hohlraum der Prozesskammer auf ihrem Weg hin zum Baufeld, wo er bzw. sie gezielt lokal die selektive Verfestigung des Werkstoffs bewirken.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the layer construction device provides a powder feed for applying at least one powder layer of the material in the area of the construction field and / or at least one radiation source for generating at least one energy beam for layer-by-layer and local melting and / or sintering of the material a component layer by selectively irradiating the material with the at least one energy beam. The layer construction device can, for example, basically be designed as a selective laser sintering and / or laser melting device and have one or more lasers as the radiation source (s). For example, a CO 2 laser, Nd: YAG laser, Yb fiber laser, diode laser or the like can be provided to generate a laser beam as an energy beam. It is also possible that the device is designed as an electron beam sintering and / or melting device, that is to say has one or more electron sources as radiation source (s) for generating an electron beam as an energy beam. Any combinations of electromagnetic radiation and particle radiation are also conceivable. Depending on the material used and the radiation strategy, melting and / or sintering of the material may occur during the irradiation, so that in the context of the present invention the term “welding” can also be understood to mean “sintering” and vice versa. The energy beam (s) are preferably coupled into or let into the process chamber via one or more regions of the process chamber wall and / or process chamber ceiling (e.g. coupling window) that are transparent to energy beams and cross the cavity of the process chamber on its way to the construction site, where he or she effect the selective solidification of the material locally.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung wenigstens ein Leitflächensegment zum Begrenzen einer Ausbreitung des in die Prozesskammer eingeleiteten Schutzgases umfasst. Mit Hilfe des wenigstens einen Leitflächensegments kann die typische Ausbreitung eines ungeführten Schutzgasstroms einseitig, zweiseitig, dreiseitig oder mehrseitig begrenzt und/oder der Schutzgasstrom geleitet werden. Damit kann ein Abtransport von Verunreinigungen noch zielgenauer und effektiver erfolgen. Das wenigstens eine Leitflächensegment stellt auf konstruktiv einfache Weise eine geometrisch optimal an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbare Druckseite bereit, mittels welcher der Schutzgasstrom begrenzt und/oder in eine gewünschte Richtung gelenkt werden kann. Das Leitflächensegment kann in einfachster Ausgestaltung als „Leitblech“ oder Leitplatte ausgebildet sein, wobei das Leitflächensegment grundsätzlich aus metallischen und/oder nicht-metallischen Materialien oder Verbundwerkstoffen ausgebildet sein kann. Weiterhin kann das Leitflächensegment in Abhängigkeit der gewünschten Strömungsführung gerade oder gekrümmt ausgebildet sein. Vorzugsweise ist das wenigstens eine Leitflächensegment als von dem Kanal bzw. seiner Austrittsöffnung separates Bauteil der Strömungsleiteinrichtung ausgebildet. Dadurch kann ein Abstand zwischen dem Leitflächensegment und der Austrittsöffnung variabel eingestellt werden. Dies stellt einen erheblichen Gewinn an Flexibilität durch die Koordinierbarkeit der relativen Bewegungen von Austrittsöffnung und Leitflächensegment innerhalb der Prozesskammer dar.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the flow guide device comprises at least one guide surface segment for limiting a spread of the protective gas introduced into the process chamber. With the aid of the at least one guide surface segment, the typical spread of an unguided protective gas flow can be limited on one, two, three or more sides and / or the protective gas flow can be directed. This means that contaminants can be removed more precisely and effectively. At least one The guide surface segment provides in a structurally simple manner a pressure side which can be optimally adapted to the respective application and by means of which the protective gas flow can be limited and / or directed in a desired direction. In its simplest configuration, the guide surface segment can be designed as a “guide plate” or guide plate, wherein the guide surface segment can in principle be formed from metallic and / or non-metallic materials or composite materials. Furthermore, the guide surface segment can be straight or curved depending on the desired flow guidance. The at least one guide surface segment is preferably designed as a component of the flow guide device that is separate from the channel or its outlet opening. As a result, a distance between the guide surface segment and the outlet opening can be variably set. This represents a considerable gain in flexibility due to the ability to coordinate the relative movements of the outlet opening and guide surface segment within the process chamber.
Dabei kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Leitflächensegment zumindest bereichsweise (hoch-)energiestrahltransparent, insbesondere lasertransparent ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, einen Strömungsführungskanal auszubilden, durch welchen aufgrund der (hoch-)energiestrahltransparenten Eigenschaft des Leitflächensegments hindurch dennoch eine Verfestigung des Werkstoffs stattfinden kann. Beispielsweise kann das Leitflächensegment teilweise oder vollständig lasertransparent sein, so dass ein Laserstrahl durch das Leitflächensegment auf den Werkstoff geleitet werden kann, um diesen selektiv zu verfestigen. Ebenso kann eine elektronenstrahltransparente Ausgestaltung vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich besteht das wenigstens eine Leitflächensegment zumindest bereichsweise aus einem nichtinduktionsfähigen Material, insbesondere aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, aus einer Keramik, aus einem Verbundwerkstoff oder aus einer beliebigen Kombination hieraus. Hierdurch kann das Leitflächensegment vorteilhaft in Verbindung mit induktiven Heizeinrichtungen verwendet bzw. in deren Nähe angeordnet werden, ohne dass es zu einer unerwünschten Erwärmung des Leitflächensegments aufgrund induzierter Ströme kommt. Unter einem hochtemperaturfesten Kunststoff sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung Hochleistungskunststoffe mit hoher Temperaturbeständigkeit zu verstehen, welche eine Dauergebrauchstemperatur von mindestens 150 °C, insbesondere von mindestens 300 °C besitzen. Ein Beispiel für einen solchen Hochleistungskunststoff ist Polyetheretherketon (abgekürzt PEEK), das zur Stoffgruppe der Polyaryletherketone gehört und eine Schmelztemperatur von etwa 335 °C besitzt. Allerdings können generell auch andere Hochleistungskunststoffe, Kombinationen mehrerer Hochleistungskunststoffe sowie Verbundwerkstoffe mit einem oder mehreren Hochleistungskunststoffen zur Herstellung des Leitflächensegments verwendet werden. Ebenso können andere geeignete nichtinduktionsfähige Materialien verwendet werden wie etwa keramische Werkstoffe. Generell können aber auch nicht-magnetische Metalle oder Metalllegierungen vorgesehen sein.It can be provided that the at least one guide surface segment is at least partially (high) energy beam transparent, in particular laser transparent. This makes it possible, for example, to form a flow guide channel through which the material can nevertheless solidify due to the (high) energy-beam-transparent property of the guide surface segment. For example, the guide surface segment can be partially or completely laser-transparent, so that a laser beam can be directed through the guide surface segment onto the material in order to selectively solidify it. An electron beam transparent embodiment can also be provided. Alternatively or additionally, the at least one guide surface segment consists at least in regions of a non-induction material, in particular of a high-temperature-resistant plastic, of a ceramic, of a composite material or of any combination thereof. As a result, the guide surface segment can advantageously be used in connection with inductive heating devices or be arranged in the vicinity thereof, without undesired heating of the guide surface segment due to induced currents. In the context of the present disclosure, a high-temperature-resistant plastic is understood to mean high-performance plastics with high temperature resistance, which have a continuous use temperature of at least 150 ° C., in particular of at least 300 ° C. An example of such a high-performance plastic is polyether ether ketone (abbreviated PEEK), which belongs to the group of polyaryl ether ketones and has a melting temperature of about 335 ° C. However, other high-performance plastics, combinations of several high-performance plastics and composite materials with one or more high-performance plastics can generally also be used to produce the guide surface segment. Other suitable non-inductive materials can also be used, such as ceramic materials. In general, non-magnetic metals or metal alloys can also be provided.
Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das wenigstens eine Leitflächensegment eine Längserstreckung von mindestens 50 %, vorzugsweise von mindestens 70% und besonders bevorzugt von mindestens 100%, das heißt von 50 %, 51 %, 52 %, 53 %, 54 %, 55 %, 56 %, 57 %, 58 %, 59 %, 60 %, 61 %, 62 %, 63 %, 64 %, 65 %, 66 %, 67 %, 68 %, 69 %, 70 %, 71 %, 72 %, 73 %, 74 %, 75 %, 76 %, 77 %, 78 %, 79 %, 80 %, 81 %, 82 %, 83 %, 84 %, 85 %, 86 %, 87 %, 88 %, 89 %, 90 %, 91 %, 92 %, 93 %, 94 %, 95 %, 96 %, 97 %, 98 %, 99 %, 100 % oder mehr einer Baufeldseite und/oder eines Baufelddurchmessers des Baufelds besitzt. Hierdurch kann der Anteil der Strecke zwischen der Austrittsöffnung des als lokale Gaszuführung fungierenden Kanals der Strömungsleiteinrichtung und der Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung, entlang welcher die Strömungsleiteinrichtung den Schutzgasstrom zumindest abschnittsweise leitet, optimal eingestellt und gegebenenfalls in einem Korridor über die gesamte Länge des Baufelds (100 %) verwirklicht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Leitflächensegment und der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung relativ zueinander bewegbar sind. Hierdurch kann die Austrittsöffnung beispielsweise entlang des Leitflächensegments bewegt werden, wobei das Leitflächensegment permanent den Schutzgasstrom begrenzt und führt.It has proven to be advantageous if the at least one guide surface segment has a longitudinal extent of at least 50%, preferably of at least 70% and particularly preferably of at least 100%, that is to say of 50%, 51%, 52%, 53%, 54% , 55%, 56%, 57%, 58%, 59%, 60%, 61%, 62%, 63%, 64%, 65%, 66%, 67%, 68%, 69%, 70%, 71 %, 72%, 73%, 74%, 75%, 76%, 77%, 78%, 79%, 80%, 81%, 82%, 83%, 84%, 85%, 86%, 87%, 88%, 89%, 90%, 91%, 92%, 93%, 94%, 95%, 96%, 97%, 98%, 99%, 100% or more of a construction site side and / or a construction site diameter of the construction site . As a result, the proportion of the distance between the outlet opening of the channel of the flow guiding device functioning as local gas supply and the inlet opening of the gas outlet device, along which the flow guiding device conducts the protective gas flow at least in sections, can be optimally adjusted and, if appropriate, in a corridor over the entire length of the construction site (100%) be realized. As an alternative or in addition, it is provided that the at least one guide surface segment and the end region of the channel of the flow guide device which comprises the outlet opening can be moved relative to one another. As a result, the outlet opening can be moved, for example, along the guide surface segment, the guide surface segment permanently limiting and guiding the inert gas flow.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Strömungsleiteinrichtung wenigstens zwei Leitflächensegmente umfasst, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind und/oder welche eine Austrittsöffnung des Kanals der Strömungsleiteinrichtung für das Schutzgas bezogen auf das Baufeld begrenzen. Hierdurch kann der Schutzgasstrom zwei- oder mehrseitig begrenzt und geführt werden. Indem die wenigstens zwei Leitflächensegmente relativ zueinander feststehend oder relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, kann wahlweise eine konstante oder eine veränderbare Begrenzung bzw. Strömungsführung des Schutzgasstroms realisiert werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Leitflächensegmente relativ zueinander translatorisch bewegbar, beispielsweise verschiebbar und/oder ineinander teleskopierbar sein, um eine variable Geometrie eines durch die Leitflächensegmente geformten bzw. begrenzten Strömungskanals zu erlauben. Dies ermöglicht eine optimierte Strömungsführung bei unterschiedlich dimensionierten Bauteilschichten. Alternativ oder zusätzlich können zwei oder mehr Leitflächensegmente relativ zueinander rotatorisch bewegbar, beispielsweise verkippbar bzw. verschwenkbar sein, um eine Begrenzung bzw. Umlenkung des Schutzgasstroms zu realisieren.Further advantages result from the fact that the flow guide device comprises at least two guide surface segments which are arranged opposite one another and / or which limit an outlet opening of the channel of the flow guide device for the protective gas in relation to the construction site. As a result, the protective gas flow can be limited and guided on two or more sides. By arranging the at least two guide surface segments to be fixed relative to one another or movable relative to one another, either a constant or a variable limitation or flow guidance of the protective gas flow can be realized. For example, two or more guide surface segments can be moved translationally relative to one another, for example displaceable and / or telescopic into one another, in order to allow a variable geometry of a flow channel formed or limited by the guide surface segments. This enables optimized flow control with differently dimensioned component layers. Alternatively or additionally, two or more guide surface segments can be rotated relative to one another, for example tilted or pivoted, in order to realize a limitation or deflection of the protective gas flow.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Leitflächensegment in einem Winkel zwischen 60° und 120°, also beispielsweise in einem Winkel von 60°, 61°, 62°, 63°, 64°, 65°, 66°, 67°, 68°, 69°, 70°, 71°, 72°, 73°, 74°, 75°, 76°, 77°, 78°, 79°, 80°, 81°, 82°, 83°, 84°, 85°, 86°, 87°, 88°, 89°, 90° 91°, 92°, 93°, 94°, 95°, 96°, 97°, 98°, 99°, 100°, 101°, 102°, 103°, 104°, 105°, 106°, 107°, 108°, 109°, 110°, 111°, 112°, 113°, 114°, 115°, 116°, 117°, 118°, 119° oder 120°, zum Baufeld angeordnet ist. Mit anderen Worten ist das Leitflächensegment senkrecht (90°) zum Baufeld bzw. zu einer Ebene, welche das Baufeld umfasst, angeordnet, wobei Schrägstellungen von bis zu ±30° vorgesehen sein können. Hierdurch kann die Ausbreitung des im Wesentlichen parallel zum Baufeld strömenden Schutzgases ein- oder mehrseitig begrenzt und gerichtet bzw. gegebenenfalls umgelenkt werden. Beispielsweise kann der Schutzgasstrom quer zur Hauptströmungsrichtung, das heißt senkrecht mit einer Abweichung von bis zu ±30° begrenzt bzw. geleitet werden. Dies erlaubt eine ein- oder mehrseitige Begrenzung der Ausbreitung des Schutzgasstroms und einen zielgenaueren und effektiveren Abtransport von Verunreinigungen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bezogen auf das Baufeld ein höchster Punkt wenigstens eines Leitflächensegments im Betrieb der Schichtbauvorrichtung einen größeren Abstand zum Baufeld besitzt als ein höchster Punkt einer Austrittsöffnung des Kanals der Strömungsleiteinrichtung. Mit anderen Worten überragt das Leitflächensegment - rechtwinklig vom Baufeld aus gemessen - zumindest bereichsweise die Austrittsöffnung. Hierdurch werden ein Überströmen des Leitflächensegments und damit eine Verschlechterung seiner Leitwirkung vorteilhaft verhindert. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass sich wenigstens ein Leitflächensegment bezogen auf das Baufeld ganz oder bereichsweise um mindestens 1 cm, das heißt beispielsweise um 1,0 cm, 1,1 cm, 1,2 cm, 1,3 cm, 1,4 cm, 1,5 cm, 1,6 cm, 1,7 cm, 1,8 cm, 1,9 cm, 2,0 cm, 2,1 cm, 2,2 cm, 2,3 cm, 2,4 cm, 2,5 cm, 2,6 cm, 2,7 cm, 2,8 cm, 2,9 cm, 3,0 cm, 3,1 cm, 3,2 cm, 3,3 cm, 3,4 cm, 3,5 cm, 3,6 cm, 3,7 cm, 3,8 cm, 3,9 cm, 4,0 cm, 4,1 cm, 4,2 cm, 4,3 cm, 4,4 cm, 4,5 cm, 4,6 cm, 4,7 cm, 4,8 cm, 4,9 cm, 5,0 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm oder mehr, über den höchsten Punkt der Auslassöffnung erstreckt. Mit anderen Worten überragt das Leitflächensegment die Auslassöffnung in Richtung vom Baufeld weg nach oben, wodurch ein „Überlaufen“ der Schutzgasströmung und damit eine verschlechterte Schutzgasströmungsführung zuverlässig verhindert werden.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that at least one guide surface segment at an angle between 60 ° and 120 °, that is to say for example at an angle of 60 °, 61 °, 62 °, 63 °, 64 °, 65 °, 66 ° , 67 °, 68 °, 69 °, 70 °, 71 °, 72 °, 73 °, 74 °, 75 °, 76 °, 77 °, 78 °, 79 °, 80 °, 81 °, 82 °, 83 °, 84 °, 85 °, 86 °, 87 °, 88 °, 89 °, 90 ° 91 °, 92 °, 93 °, 94 °, 95 °, 96 °, 97 °, 98 °, 99 °, 100 °, 101 °, 102 °, 103 °, 104 °, 105 °, 106 °, 107 °, 108 °, 109 °, 110 °, 111 °, 112 °, 113 °, 114 °, 115 °, 116 °, 117 °, 118 °, 119 ° or 120 ° to the construction site. In other words, the guide surface segment is arranged perpendicularly (90 °) to the construction field or to a plane which encompasses the construction field, wherein inclinations of up to ± 30 ° can be provided. As a result, the spread of the protective gas flowing essentially parallel to the construction site can be limited on one or more sides and directed or, if necessary, deflected. For example, the protective gas flow can be limited or directed transversely to the main flow direction, that is to say perpendicularly, with a deviation of up to ± 30 °. This allows the spreading of the protective gas flow on one or more sides and a more precise and effective removal of impurities. Furthermore, it can be provided that, based on the construction field, a highest point of at least one guide surface segment is at a greater distance from the construction field during operation of the layer construction device than a highest point of an outlet opening of the channel of the flow guide device. In other words, the guide surface segment - measured at right angles from the construction site - projects beyond the outlet opening at least in some areas. This advantageously prevents overflow of the guide surface segment and thus a deterioration in its conductivity. For example, it can be provided that at least one guide surface segment, in whole or in part, based on the construction site, is at least 1 cm, that is to say for example by 1.0 cm, 1.1 cm, 1.2 cm, 1.3 cm, 1.4 cm, 1.5 cm, 1.6 cm, 1.7 cm, 1.8 cm, 1.9 cm, 2.0 cm, 2.1 cm, 2.2 cm, 2.3 cm, 2.4 cm, 2.5 cm, 2.6 cm, 2.7 cm, 2.8 cm, 2.9 cm, 3.0 cm, 3.1 cm, 3.2 cm, 3.3 cm, 3.4 cm, 3.5 cm, 3.6 cm, 3.7 cm, 3.8 cm, 3.9 cm, 4.0 cm, 4.1 cm, 4.2 cm, 4.3 cm, 4.4 cm, 4.5 cm, 4.6 cm, 4.7 cm, 4.8 cm, 4.9 cm, 5.0 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm or more, extends over the highest point of the outlet opening . In other words, the guide surface segment projects above the outlet opening in the direction away from the construction site, as a result of which an “overflow” of the shielding gas flow and thus a deteriorated shielding gas flow guidance are reliably prevented.
Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass bezogen auf das Baufeld ein tiefster Punkt wenigstens eines Leitflächensegments im Betrieb der Schichtbauvorrichtung einen geringeren Abstand zum Baufeld besitzt als ein tiefster Punkt einer Austrittsöffnung des Kanals der Strömungsleiteinrichtung. Hierdurch werden ein Unterströmen des Leitflächensegments und damit eine Verschlechterung seiner Leitwirkung und eine etwaige Verwirbelung des Werkstoffs vorteilhaft verhindert. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Leitflächensegment in einem Abstand von mindestens 0,5 cm und/oder von höchstens 5 cm, das heißt beispielsweise von 0,5 cm, 0,6 cm, 0,7 cm, 0,8 cm, 0,9 cm, 1,0 cm, 1,1 cm, 1,2 cm, 1,3 cm, 1,4 cm, 1,5 cm, 1,6 cm, 1,7 cm, 1,8 cm, 1,9 cm, 2,0 cm, 2,1 cm, 2,2 cm, 2,3 cm, 2,4 cm, 2,5 cm, 2,6 cm, 2,7 cm, 2,8 cm, 2,9 cm, 3,0 cm, 3,1 cm, 3,2 cm, 3,3 cm, 3,4 cm, 3,5 cm, 3,6 cm, 3,7 cm, 3,8 cm, 3,9 cm, 4,0 cm, 4,1 cm, 4,2 cm, 4,3 cm, 4,4 cm, 4,5 cm, 4,6 cm, 4,7 cm, 4,8 cm, 4,9 cm oder 5,0 cm über dem Werkstoff bzw. Baufeld angeordnet oder anordenbar ist. Hierdurch ist gewährleistet, dass das Leitflächensegment einen ausreichenden Abstand zum Werkstoff aufweist und diesen auch bei einer Bewegung über den Werkstoff nicht aufwirbelt oder anderweitig stört. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass im Bereich des Werkstoffs entstehende Verunreinigungen, beispielsweise Rauch- oder Spratzerbildungen, zuverlässig von der Schutzgasströmung erfasst und abtransportiert werden können.As an alternative or in addition, it is provided that, based on the construction site, a deepest point of at least one guide surface segment has a smaller distance from the construction site during operation of the layer construction device than a deepest point of an outlet opening of the channel of the flow guide device. This advantageously prevents an underflow of the guide surface segment and thus a deterioration in its conductivity and any swirling of the material. It can be provided that at least one guide surface segment at a distance of at least 0.5 cm and / or at most 5 cm, that is to say for example of 0.5 cm, 0.6 cm, 0.7 cm, 0.8 cm, 0.9 cm, 1.0 cm, 1.1 cm, 1.2 cm, 1.3 cm, 1.4 cm, 1.5 cm, 1.6 cm, 1.7 cm, 1.8 cm, 1.9 cm, 2.0 cm, 2.1 cm, 2.2 cm, 2.3 cm, 2.4 cm, 2.5 cm, 2.6 cm, 2.7 cm, 2.8 cm, 2.9 cm, 3.0 cm, 3.1 cm, 3.2 cm, 3.3 cm, 3.4 cm, 3.5 cm, 3.6 cm, 3.7 cm, 3.8 cm, 3.9 cm, 4.0 cm, 4.1 cm, 4.2 cm, 4.3 cm, 4.4 cm, 4.5 cm, 4.6 cm, 4.7 cm, 4.8 cm, 4.9 cm or 5.0 cm above the material or construction field or can be arranged. This ensures that the guide surface segment is at a sufficient distance from the material and does not whirl up or otherwise disturb it even when it is moved over the material. At the same time, it is ensured that contaminants arising in the area of the material, for example smoke or spatter, can be reliably detected and removed by the protective gas flow.
Vorzugsweise sind die Auslassöffnung des Kanals und wenigstens zwei Leitflächensegmente der Strömungsleiteinrichtung derart ausgebildet und zueinander orientiert, dass im Betrieb die beiden Leitflächensegmente auf einander gegenüberliegenden Seiten der Auslassöffnung vorzugsweise parallel zueinander angeordnet und derart voneinander beabstandet angeordnet sind, dass sie die Auslassöffnung umrahmen bzw. beidseitig begrenzen, wobei die Auslassöffnung vorzugsweise entlang (z. B. in einer Richtung parallel zu) einer Längserstreckung der Leitflächensegmente bewegbar ist.The outlet opening of the channel and at least two guide surface segments of the flow guide device are preferably designed and oriented to one another such that, in operation, the two guide surface segments on opposite sides of the outlet opening are preferably arranged parallel to one another and spaced apart such that they frame the outlet opening or delimit it on both sides , wherein the outlet opening is preferably movable along (for example in a direction parallel to) a longitudinal extension of the guide surface segments.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Leitflächensegment der Strömungsleiteinrichtung bezogen auf das Baufeld eine Oberseite bildet und/oder dass wenigstens ein Leitflächensegment der Strömungsleiteinrichtung bezogen auf das Baufeld eine Unterseite bildet. Hierdurch ist es möglich, die Schutzgasströmung nach oben und/oder nach unten hin zu kontrollieren und die Grenzen der Ausdehnung des Gasstroms nach oben, das heißt vom Baufeld weg, und/oder nach unten, das heißt zum Baufeld hin, zu definieren. Weiterhin kann mit Hilfe des Leitflächensegments oder der Leitflächensegmente ein im Querschnitt überwiegend oder vollständig geschlossener Kanal ausgebildet werden, wodurch ein besonders effizienter und störungsfreier Abtransport von Verunreinigungen ermöglicht ist. Um trotzdem den Durchtritt eines zum Verfestigen des Werkstoffs verwendeten Energiestrahls auf das Baufeld sicherzustellen, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn wenigstens ein Leitflächensegment der Strömungsleiteinrichtung zumindest im Betrieb der Schichtbauvorrichtung eine Durchtrittsöffnung für einen Energiestrahl freigibt. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine Sichtachse für den Energiestrahl freigegeben ist, so dass dieser nicht durch die Strömungsleiteinrichtung behindert wird und von einem Deckenbereich der Vorrichtung durch die Durchtrittsöffnung auf das Baufeld auftreffen und den Werkstoff selektiv verfestigen kann. Generell können auch zwei oder mehr Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein, die eine oder mehrere Sichtachsen zwischen dem Baufeld und einem Deckenbereich der Prozesskammer bzw. einem Eintrittsbereich des Energiestrahls der Strahlenquelle in die Prozesskammer freigeben. Die Durchtrittsöffnung(en) kann bzw. können dabei in einfachster Ausgestaltung Aussparungen bzw. Löcher im betreffenden Leitflächensegmente sein, durch die sowohl der Energiestrahl als auch Gas durchtreten können, wodurch Staueffekte vorteilhaft vermieden werden. Alternativ kann wenigstens eine Durchtrittsöffnung aus einem für den Energiestrahl transparenten, gasundurchlässigen Material gebildet sein.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that at least one guide surface segment of the flow guide device forms an upper side in relation to the construction field and / or that at least one guide surface segment of the flow guide device forms a lower side in relation to the construction field. This makes it possible to control the flow of protective gas upwards and / or downwards and to define the limits of the expansion of the gas flow upwards, that is to say away from the construction site, and / or downwards, that is to say towards the construction site. Furthermore, with the aid of the guide surface segment or the guide surface segments, a channel that is predominantly or completely closed in cross section can be formed, as a result of which particularly efficient and trouble-free removal of impurities is made possible. In order to nevertheless ensure the passage of an energy beam used to solidify the material onto the construction site, it has proven to be advantageous if at least one guide surface segment of the flow guide device clears a passage opening for an energy beam, at least during operation of the layer construction device. This ensures that a visual axis is released for the energy beam, so that it is not hindered by the flow guide device and can strike the construction field from a ceiling area of the device through the passage opening and selectively solidify the material. In general, two or more passage openings can also be provided, which expose one or more visual axes between the construction field and a ceiling area of the process chamber or an entry area of the energy beam of the radiation source into the process chamber. The passage opening (s) in the simplest embodiment can be cutouts or holes in the relevant guide surface segments through which both the energy beam and gas can pass, thereby advantageously preventing congestion effects. Alternatively, at least one passage opening can be formed from a gas-impermeable material that is transparent to the energy beam.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Position der Strömungsleiteinrichtung innerhalb der Prozesskammer relativ zum Baufeld in Abhängigkeit einer Position einer Auftrefffläche des Energiestrahls und/oder in Abhängigkeit einer Lage, Orientierung bzw. Ausdehnung eines aktuellen Arbeitsbereichs des Energiestrahls innerhalb des Baufelds, z. B. eines Bestrahlungsstreifens oder Schachbrettfeldes oder allgemein einer örtlich begrenzten Bestrahlungszone als Teilbereich einer in einer Schicht zu bestrahlenden Objektquerschnittsfläche, auf das Baufeld einstellbar ist und/oder dass die Strömungsleiteinrichtung zumindest im wesentlichen simultan mit der Auftrefffläche des Energiestrahls auf dem Baufeld bzw. mit dem Arbeitsbereich relativ zum Baufeld bewegbar ist. Hierdurch können Verunreinigungen, die überwiegend beim Auftreffen des Energiestrahls auf den Werkstoff entstehen, besonders zuverlässig abgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that a position of the flow guide device within the process chamber relative to the construction field as a function of a position of an impact surface of the energy beam and / or as a function of a position, orientation or extent of a current work area of the energy beam within the construction field, e.g. B. a radiation strip or checkerboard field or generally a localized radiation zone as a portion of an object to be irradiated in a layer cross-sectional area on the construction field is adjustable and / or that the flow control device at least substantially simultaneously with the impact surface of the energy beam on the construction field or with the work area is movable relative to the construction site. In this way, contaminants, which predominantly arise when the energy beam strikes the material, can be removed particularly reliably.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem wenigstens ein Leitflächensegment eine veränderbare Geometrie besitzt und/oder dadurch, dass zumindest eine Längserstreckung der Strömungsleiteinrichtung einstellbar ist. Dies ermöglicht eine besonders flexible Anpassung an unterschiedliche Baufeld- und Bauteilgeometrien. Beispielsweise kann das Leitflächensegment eine biegbare oder krümmbare Leitfläche aufweisen. Ebenso sind Gestaltänderungen durch Scharniere, einen Gliedervorhang oder dergleichen denkbar, um den Schutzgasstrom entlang eines nicht-linearen Strömungspfads zu lenken. Eine Längserstreckung der Strömungsleiteinrichtung kann beispielsweise dadurch veränderbar sein, dass ein oder mehrere Leitflächensegmente teleskopierbar sind.Further advantages result from at least one guide surface segment having a changeable geometry and / or from the fact that at least one longitudinal extent of the flow guide device can be set. This enables a particularly flexible adaptation to different construction site and component geometries. For example, the guide surface segment can have a bendable or bendable guide surface. Changes in shape by means of hinges, a curtain or the like are also conceivable in order to direct the protective gas flow along a non-linear flow path. A longitudinal extent of the flow guiding device can be changeable, for example, in that one or more guiding surface segments can be telescoped.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung eine weitere Strömungsleiteinrichtung im Bereich einer Oberseite der Prozesskammer umfasst, mittels welcher ein globaler Schutzgasstrom mit einer im Wesentlichen senkrechten Hauptströmungsrichtung bezogen auf das Baufeld erzeugbar ist. Die Prozesskammer kann damit während des Schichtbauverfahrens mit einer Schutzgasatmosphäre gefüllt werden, wobei die Schutzgasatmosphäre vorzugsweise mit einem Druck zwischen 50 mbar und 1200 mbar, also beispielsweise mit 50 mbar, 100 mbar, 150 mbar, 200 mbar, 250 mbar, 300 mbar, 350 mbar, 400 mbar, 450 mbar, 500 mbar, 550 mbar, 600 mbar, 650 mbar, 700 mbar, 750 mbar, 800 mbar, 850 mbar, 900 mbar, 950 mbar, 1000 mbar, 1050 mbar, 1100 mbar, 1150 mbar oder 1200 mbar in der Prozesskammer bereitgestellt werden kann. Das Schutzgas der Schutzgasatmosphäre kann vorzugsweise die gleiche oder eine ähnliche Zusammensetzung wie der aus der lokalen Strömungsleiteinrichtung ausgeleitete Schutzgasstrom über das Baufeld aufweisen. Beispielsweise kann sowohl für den Schutzgasstrom als auch für die Schutzgasatmosphäre Argon verwendet werden. Es kann vorgesehen sein, dass das aus der lokalen Strömungsleiteinrichtung ausgeleitete Schutzgas nach dem Abführen über die Gasauslasseinrichtung filtriert wird, um abgeführte Schadstoffe zu entfernen, und anschließend als Schutzgas für die globale Schutzgasatmosphäre in der Prozesskammer verwendet wird. Die Schutzgasatmosphäre in der Prozesskammer kann grundsätzlich in einem gegebenenfalls mit einem Filtersystem versehenen Kreislauf geführt werden, um Verluste zu vermeiden. Aufgrund der ersten, lokalen Strömungsleiteinrichtung kann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Volumenstrom des Schutzgases gegenüber Schichtbauvorrichtungen ohne eine solche lokale Strömungsleiteinrichtung reduziert werden, wodurch Verwirbelungen des Werkstoffs besonders zuverlässig verhindert werden.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the layer construction device comprises a further flow guiding device in the region of an upper side of the process chamber, by means of which a global protective gas flow with an essentially perpendicular main flow direction with respect to the construction field can be generated. The process chamber can thus be filled with a protective gas atmosphere during the layer construction process, the protective gas atmosphere preferably having a pressure between 50 mbar and 1200 mbar, that is to say for example with 50 mbar, 100 mbar, 150 mbar, 200 mbar, 250 mbar, 300 mbar, 350 mbar , 400 mbar, 450 mbar, 500 mbar, 550 mbar, 600 mbar, 650 mbar, 700 mbar, 750 mbar, 800 mbar, 850 mbar, 900 mbar, 950 mbar, 1000 mbar, 1050 mbar, 1100 mbar, 1150 mbar or 1200 mbar can be provided in the process chamber. The protective gas in the protective gas atmosphere can preferably have the same or a similar composition as the protective gas stream discharged from the local flow control device over the construction site. For example, argon can be used both for the protective gas stream and for the protective gas atmosphere. It can be provided that the protective gas discharged from the local flow guide device is filtered after removal via the gas outlet device in order to remove discharged pollutants, and is then used as protective gas for the global protective gas atmosphere in the process chamber. The protective gas atmosphere in the process chamber can in principle be conducted in a circuit which may be provided with a filter system in order to avoid losses. Because of the first, local flow guide device, the flow velocity or the volume flow of the protective gas can be reduced compared to layer construction devices without such a local flow guide device, as a result of which turbulence in the material is particularly reliably prevented.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Tragvorrichtung vorgesehen, mittels welcher zumindest der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung und/oder wenigstens ein Leitflächensegment in wenigstens einer Raumrichtung relativ zum Baufeld innerhalb der Prozesskammer bewegbar ist. Dies stellt eine konstruktiv einfache Möglichkeit zur Positionierung der Austrittsöffnung und/oder wenigstens eines Leitflächensegments gegenüber dem Baufeld dar. Die Tragvorrichtung ist vorzugsweise teilweise oder vollständig innerhalb der Prozesskammer angeordnet. Der Endbereich des Kanals und/oder das Leitflächensegment kann bzw. können dabei grundsätzlich unmittelbar oder mittelbar an der Tragvorrichtung festgelegt sein. Vorzugsweise ist die Tragvorrichtung derart ausgebildet, dass sie einem etwaig vorhandenen Beschichter bzw. einer Pulverzuführung zum Auftragen einer Pulverschicht auf das Baufeld ausweichen kann bzw. dass die Tragvorrichtung und der Beschichter über dem Baufeld bewegbar sind, ohne sich gegenseitig zu behindern. Hierzu können die Tragvorrichtung und der Beschichter beispielsweise in senkrecht zueinander stehenden Verfahrrichtungen auf ähnlichen Höhenniveaus bewegbar sein oder auf unterschiedlichen Höhenniveaus über dem Baufeld bewegbar sein.In a further advantageous embodiment of the invention, a support device is provided, by means of which at least the end region of the channel of the flow guiding device that comprises the outlet opening and / or at least one guide surface segment can be moved in at least one spatial direction relative to the construction field within the process chamber. This represents a structurally simple possibility for positioning the outlet opening and / or at least one guide surface segment in relation to the construction field. The carrying device is preferably arranged partially or completely within the process chamber. The end region of the channel and / or the guide surface segment can or can be fixed directly or indirectly to the carrying device. The carrying device is preferably designed in such a way that it can evade a possibly existing coater or a powder feeder for applying a powder layer on the building site or that the carrying device and the coater can be moved over the building site without interfering with one another. For this purpose, the carrying device and the coater can be movable, for example, in mutually perpendicular directions of travel at similar height levels or can be moved at different height levels above the construction site.
Weitere Vorteile ergeben sich, indem die Tragvorrichtung wenigstens zwei jeweils relativ zum Baufeld bewegbare Tragarme umfasst. Die Tragarme können jeweils einen oder mehrere Translationsfreiheitsgrade und/oder einen oder mehrere Rotationsfreiheitsgrade aufweisen. Vorzugsweise ist der erste Tragarm in genau einer ersten Raumrichtung bewegbar und der zweite Tragarm in der ersten Raumrichtung und in einer zweiten Raumrichtung bewegbar ist, wobei die zweite Raumrichtung senkrecht zur ersten Raumrichtung ist. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass einer der Tragarme in y-Richtung der Prozesskammer bewegbar ist, während der andere Tragarm in x-Richtung bewegbar ist, wobei die x- und y-Richtung durch die Seitenkanten des Baufelds definiert werden. Vorzugsweise ist wenigstens ein Leitflächensegment an einen der Tragarme gekoppelt, so dass es sich im Betrieb mit diesem mitbewegt, während der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung an den anderen Tragarm gekoppelt ist, so dass sich die Austrittsöffnung im Betrieb mit diesem mitbewegt. Ebenso kann das wenigstens eine Leitflächensegment und/oder der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals eigenständig relativ zum Baufeld bewegbar sein, beispielsweise mittels eines Roboterarms. Vorzugsweise weist die Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung eine horizontale Abmessung auf, die im Wesentlichen einer horizontalen Abmessung einer angrenzenden Baufeldseite entspricht, besonders bevorzugt mindestens die Länge der unmittelbar angrenzenden Baufeldseite hat. Diese Ausgestaltung erweist sich etwa dann als vorteilhaft, wenn das wenigstens eine Leitflächensegment nur in einer einzigen Raumrichtung relativ zum Baufeld bewegbar bzw. verfahrbar ist und diese Raumrichtung im Wesentlichen der Orientierung einer Längserstreckung der Eintrittsöffnung entspricht. Dadurch können die lokale Gasströmung und in ihr mitgeführte bzw. durch sie verdrängte Verunreinigungen der Prozesskammeratmosphäre unabhängig von der Position der Strömungsleiteinrichtung, d. h. des Kanals, seiner Austrittsöffnung und/oder des oder der Leitflächensegmente, relativ zum Baufeld direkt in Richtung bzw. bis hin zur Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung transportiert und anschließend aus der Prozesskammer entfernt werden.Further advantages result from the fact that the carrying device comprises at least two supporting arms, each movable relative to the construction field. The support arms can each have one or more degrees of translational freedom and / or one or more degrees of rotational freedom. The first support arm can preferably be moved in exactly one first spatial direction and the second support arm can be moved in the first spatial direction and in a second spatial direction, the second spatial direction being perpendicular to the first spatial direction. For example, it can be provided that one of the support arms can be moved in the y direction of the process chamber, while the other support arm can be moved in the x direction, the x and y directions being defined by the side edges of the construction field. Preferably, at least one guide surface segment is coupled to one of the support arms, so that it moves with it during operation, while the end region of the channel of the flow guiding device comprising the outlet opening is coupled to the other support arm, so that the outlet opening moves with it during operation. Likewise, the at least one guide surface segment and / or the end region of the channel comprising the outlet opening can be moved independently of the construction field, for example by means of a robot arm. The inlet opening of the gas outlet device preferably has a horizontal dimension which essentially corresponds to a horizontal dimension of an adjacent construction site side, particularly preferably has at least the length of the immediately adjacent construction site side. This embodiment proves to be advantageous, for example, if the at least one guide surface segment can only be moved or moved in a single spatial direction relative to the construction field and this spatial direction essentially corresponds to the orientation of a longitudinal extension of the inlet opening. As a result, the local gas flow and impurities in the process chamber atmosphere carried along or displaced by it can be independent of the position of the flow guide device, ie. H. of the duct, its outlet opening and / or the guide surface segment or segments, are transported relative to the construction field directly in the direction of or up to the inlet opening of the gas outlet device and are subsequently removed from the process chamber.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichtbauvorrichtung eine Heizvorrichtung umfasst, mittels welcher das Baufeld zumindest bereichsweise temperierbar ist. Hierdurch können mit Hilfe der Schichtbauvorrichtung auch schwer schmelzbare Werkstoffe wie beispielsweise hochwarmfeste Nickelbasissuperlegierungen, Mg2Si-Legierungen und intermetallische Verbindungen wie Titanaluminide schweißtechnisch verarbeitet werden, da diese Werkstoffe mit Hilfe der Heizvorrichtung vorgewärmt und auf Temperaturen in der Nähe ihres Schmelzpunktes vortemperiert werden können. Weiterhin kann bereits verfestigter Werkstoff mit Hilfe der Heizvorrichtung wärmebehandelt und/oder kontrolliert abgekühlt werden. Die Heizvorrichtung kann grundsätzlich eine oder mehrere Strahlungsheizungen (IR, Mikrowelle etc) und/oder eine oder mehrere induktive Temperiereinrichtungen umfassen, um elektrisch leitfähige Bereiche in der Prozesskammer der Schichtbauvorrichtung mit Hilfe von einem oder mehreren Induktionselementen durch erzeugte Wirbelstromverluste zu erwärmen.In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the layer construction device comprises a heating device, by means of which the construction site can be tempered at least in some areas. As a result, even materials that are difficult to melt, such as highly heat-resistant nickel-base superalloys, Mg 2 Si alloys and intermetallic compounds such as titanium aluminides, can be processed using welding technology because these materials can be preheated using the heating device and preheated to temperatures near their melting point. Furthermore, already solidified material can be heat-treated and / or cooled in a controlled manner using the heating device. The heating device can in principle comprise one or more radiant heaters (IR, microwave, etc.) and / or one or more inductive temperature control devices in order to heat electrically conductive areas in the process chamber of the layer construction device with the help of one or more induction elements due to eddy current losses.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung zumindest eine erste Induktionsspule und eine zweite Induktionsspule umfasst, wobei die erste Induktionsspule am ersten Tragarm und die zweite Induktionsspule am zweiten Tragarm festgelegt ist. Hierdurch können die Magnetfelder der Induktionsspulen gezielt überlagert werden, um eine bedarfsgerechte Temperierung eines ausgewählten Bereichs des Baufelds durchzuführen. Die Induktionsspulen können unabhängig voneinander bewegt werden. Vorzugsweise ist die zweite Induktionsspule kleiner als die erste Induktionsspule ausgebildet und nur innerhalb eines durch die erste Induktionsspule begrenzten Bereichs bewegbar. Die mindestens zwei Induktionsspulen können in weiterer Ausgestaltung translatorisch und/oder rotatorisch zueinander bewegbar sein, wodurch ihre relative Positionierung zueinander besonders präzise und bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Dies erlaubt eine entsprechend präzise Erwärmung des Werkstoffs bzw. der Bauteilschicht, indem die Magnetfelder der Induktionsspulen gezielt in gewünschten Bereichen überlagert werden können.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the heating device comprises at least a first induction coil and a second induction coil, the first induction coil being fixed on the first support arm and the second induction coil on the second support arm. As a result, the magnetic fields of the induction coils can be deliberately superimposed in order to carry out a temperature control of a selected area of the construction field as required. The induction coils can be moved independently of one another. The second induction coil is preferably made smaller than the first induction coil and can only be moved within a region delimited by the first induction coil. In a further embodiment, the at least two induction coils can be movable with respect to one another in a translatory and / or rotary manner, as a result of which their relative positioning in relation to one another can be set particularly precisely and as required. This permits a correspondingly precise heating of the material or the component layer, in that the magnetic fields of the induction coils can be deliberately superimposed in the desired areas.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Antrieb der Heizeinrichtung synergetisch auch für den Antrieb der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung genutzt. Dies bietet sich an, da ein Heizbereich der Heizeinrichtung und ein Beströmungszielbereich der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung einander zumindest unmittelbar benachbart, d. h. aneinander angrenzend, in der Prozesskammer angeordnet sind. Vorzugsweise bilden sie zumindest in einer Orthogonalprojektion des Heizbereichs und des Beströmungszielbereichs auf eine Ebene des Baufelds eine Schnittmenge. Mit anderen Worten kann unter bestimmten Bedingungen ein Zielarbeitsbereich, zu dem die Heizeinrichtung in horizontaler Richtung bewegt wird, auch gleichzeitig ein Zielarbeitsbereich der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung sein und umgekehrt. Unter der Schnittmenge wird insbesondere eine Teilfläche des Baufelds verstanden. Unter dem Heizbereich wird insbesondere ein Volumen von verfestigtem oder unverfestigtem Werkstoff verstanden, das direkt oder indirekt durch die Heizeinrichtung beheizt wird. Dabei wird berücksichtigt, dass beispielsweise bei Verwendung einer induktiven Heizeinrichtung eine jeweils oberste Schicht des unverfestigten Werkstoffs auf dem Baufeld weitgehend indirekt (durch Wärmeleitung) beheizt werden kann, indem sich Wärme von einem direkt beheizten, unterhalb der obersten Werkstoffschicht liegenden Festkörper oder bereits zuvor verfestigten Bereich in die Umgebung, d. h. in den umliegenden Werkstoff, ausbreitet. Aus der Nutzung dieses Prinzips zur Beheizung einer oder weniger Werkstoffschichten, die zwischen einem Bauteil oder einer Bauplattform und der Prozesskammeratmosphäre liegt/liegen, ist ersichtlich, dass der indirekt beheizte Bereich, der per Definition oberhalb einer vorbestimmten Mindesttemperatur liegt, eine sehr geringe räumliche Erstreckung aufweisen kann, die z. B. wenige oder wenige Dutzend Mikrometer (zumindest in einer vertikalen Richtung senkrecht zum Baufeld) beträgt. Dies bedeutet auch, dass sich der indirekt beheizte, lokal begrenzte Bereich unterhalb der Oberfläche des Werkstoffs (die Oberfläche einschließend) bereits bei einer geringen horizontalen Verlagerung des darunter angeordneten direkt beheizten Bereichs in entsprechendem Maß mitbewegt. Der Beströmungszielbereich wird als Teilvolumen der Prozesskammer verstanden, das unmittelbar oberhalb des Baufelds an das Baufeld anschließt. Vorzugsweise umfasst der Beströmungszielbereich eine Oberfläche der obersten Schicht des Werkstoffs, auf die ein Gasstrom auftrifft, bzw. an der ein Gasstrom entlang strömt, bzw. über die ein Gasstrom strömt. Dabei wird berücksichtigt, dass ein mittels der außerhalb des Werkstoffs angeordneten Einleiteinrichtung in die Prozesskammer eingeleiteter Gasstrom in der Regel im Wesentlichen keine Tiefenwirkung in den Werkstoff hinein entfaltet, d. h. im Wesentlichen nicht unter die Oberfläche der obersten Werkstoffschicht dringt. Eine Position bzw. Bewegung der Heizeinrichtung und des von dieser erzeugten Heizbereichs bestimmt also eine Position bzw. Bewegung des durch die Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung definierten Beströmungszielbereichs. Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung bzw. Regelung der Position bzw. Bewegung der Heizeinrichtung und/oder der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung derart, dass Schnittmengen des Beströmungszielbereichs mit dem Baufeld und des Heizbereichs mit dem Baufeld zumindest während eines Schrittes der Bearbeitung des Werkstoffs (z. B. in Form selektiver Verfestigung) eine möglichst große Schnittmenge miteinander bilden.In a further advantageous embodiment of the invention, a drive of the heating device is also used synergistically for driving the flow guide device and / or the introduction device. This is appropriate since a heating area of the heating device and a flow target area of the flow guide device and / or the introduction device are at least immediately adjacent to one another, ie adjacent to one another, in the process chamber are arranged. They preferably form an intersection at least in an orthogonal projection of the heating area and the flow target area onto a plane of the construction field. In other words, under certain conditions, a target work area to which the heating device is moved in the horizontal direction can also be a target work area of the flow guide device and / or the introduction device and vice versa. The intersection is understood to mean, in particular, a partial area of the construction field. The heating area is understood in particular to mean a volume of solidified or unconsolidated material which is heated directly or indirectly by the heating device. It is taken into account that, for example, when using an inductive heating device, an uppermost layer of the unconsolidated material on the construction site can be largely indirectly heated (by heat conduction) by heat from a directly heated solid body lying below the uppermost material layer or previously solidified area in the environment, ie in the surrounding material. From the use of this principle for heating one or fewer layers of material lying / lying between a component or a construction platform and the process chamber atmosphere, it can be seen that the indirectly heated area, which by definition is above a predetermined minimum temperature, has a very small spatial extent can the z. B. a few or a few dozen micrometers (at least in a vertical direction perpendicular to the construction field). This also means that the indirectly heated, locally limited area below the surface of the material (including the surface) moves with a corresponding amount even with a slight horizontal displacement of the directly heated area arranged below it. The flow target area is understood to be a partial volume of the process chamber that connects to the construction field immediately above the construction field. The flow target area preferably comprises a surface of the uppermost layer of the material on which a gas stream strikes, or along which a gas stream flows, or over which a gas stream flows. It is taken into account here that a gas flow introduced into the process chamber by means of the introduction device arranged outside the material generally has essentially no depth effect into the material, ie essentially does not penetrate below the surface of the uppermost material layer. A position or movement of the heating device and the heating area generated by it thus determines a position or movement of the flow target area defined by the flow guide device and / or the introduction device. The position or movement of the heating device and / or the flow guide device and / or the introduction device is preferably controlled or regulated in such a way that intersections of the flow target area with the construction field and the heating area with the construction field occur at least during one step of processing the material (e.g. B. in the form of selective solidification) form as large an intersection as possible.
Wird beispielsweise als Heizeinrichtung die vorstehend genannte „Kreuzspule“ verwendet, welche zwei Induktoren umfasst, die relativ zueinander bewegbar sind, um die einzelnen Induktionsfelder überlagern zu können, benötigt die Einleiteinrichtung für die Austrittsöffnung, d. h. den Gaseinlass, der einen lokal begrenzten Prozessgasstrom erzeugt, einen eigenen Antrieb bzw. Tragarm oder muss zumindest derart beweglich sein, dass sie mit dem Überlagerungsbereich der beiden Induktoren, das heißt dem intensivsten Heizbereich der Heizeinrichtung, verfährt bzw. bewegbar ist.If, for example, the above-mentioned “cross-coil” is used as the heating device, which comprises two inductors that can be moved relative to one another in order to be able to overlay the individual induction fields, the introduction device requires for the outlet opening, ie. H. the gas inlet, which generates a locally limited process gas flow, its own drive or support arm or at least has to be movable in such a way that it can be moved or moved with the overlapping area of the two inductors, that is to say the most intensive heating area of the heating device.
Bei dieser Ausgestaltung der Heizeinrichtung kann es dann vorgesehen sein, dass die Einleiteinrichtung und/oder die Strömungsleiteinrichtung mittelbar oder unmittelbar an den Induktionsspulen bzw. jeweils mittelbar oder unmittelbar an einer Induktionsspule bzw. gemeinsam an einem jeweils zugeordneten Tragarm der Tragvorrichtung befestigt sind. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Einleiteinrichtung und/oder die Strömungsleiteinrichtung mit Hilfe eines oder mehrerer separater Tragarme zumindest gemeinsam mit der oder den jeweils zugeordneten Induktionsspulen bewegbar sind. Ein gemeinsames Verfahren mit den Induktionsspulen erfüllt die Ziele der geführten Beströmung in Abhängigkeit des Heizbereichs insbesondere hinsichtlich der Vermeidung unerwünschter Verschmutzungen im Aufbau- und Fügebereich uneingeschränkt.In this embodiment of the heating device, it can then be provided that the introducing device and / or the flow guiding device are attached indirectly or directly to the induction coils or respectively indirectly or directly to an induction coil or jointly to an associated support arm of the carrying device. It can also be provided that the introduction device and / or the flow guide device can be moved at least together with the induction coils or the respectively assigned induction coils with the aid of one or more separate support arms. A common process with the induction coils fully fulfills the goals of the guided flow depending on the heating area, in particular with regard to avoiding undesirable contamination in the assembly and joining area.
Ein weiterer unabhängiger Erfindungsgedanke liegt in einer Koppelung der Bewegbarkeit der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung an einen gewählten Betriebsmodus der Beströmung und/oder der Beheizung. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten Steuereinrichtung bzw. Steuereinheit der Schichtbauvorrichtung gesteuert bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann eine erste, „aktive“ Betriebsstellung vorgesehen sein, in welcher die lokale Gaseinströmung und das Leiten des lokalen Gasstroms erfolgt. Diese Betriebsposition der Heizeinrichtung sowie der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung oberhalb des Baufelds ist geeignet zum Beheizen bzw. Beströmen und kann wie vorstehend beschrieben jeweils eine Bewegbarkeit in allen Freiheitsgraden oder eingeschränkt auf für die jeweilige Anwendung sinnvolle Freiheitsgrade vorsehen. In einer zweiten, „inaktiven“ Betriebsstellung erfolgt demgegenüber keine lokale Gaseinströmung bzw. kein Leiten des lokalen Gasstroms. Diese Betriebsposition umfasst vorzugsweise ein Bewegen der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung in einen Bereich außerhalb der Verfahrbewegung eines Beschichters der Schichtbauvorrichtung, um das Auftragen einer neuen Pulverschicht nicht zu behindern. A further independent inventive concept lies in coupling the mobility of the flow guide device and / or the introduction device to a selected operating mode of the flow and / or the heating. This can be controlled or regulated, for example, with the aid of a correspondingly designed control device or control unit of the layer construction device. For example, a first, “active” operating position can be provided, in which the local gas inflow and the conduction of the local gas flow take place. This operating position of the heating device and the flow guiding device and / or the introductory device above the construction field is suitable for heating or flow and, as described above, can provide mobility in all degrees of freedom or restricted to degrees of freedom that are appropriate for the respective application. In a second, "inactive" operating position, on the other hand, there is no local gas inflow or no conduction of the local gas flow. This operating position preferably includes moving the Flow guiding device and / or the introducing device into an area outside the travel movement of a coater of the layer building device in order not to hinder the application of a new powder layer.
Beispielsweise kann hierbei ein Verfahren bzw. Bewegen der Heizeinrichtung und/oder der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung in eine seitliche Parkposition und/oder ein Bewegen oder Verschwenken nach oben (z-Richtung) in den freien Raum der Prozesskammer vorgesehen sein. Insbesondere das Bewegen nach oben bietet den Vorteil hoher Betriebssicherheit, da in einem deckennahen bzw. baufeldfernen Bereich der Prozesskammer typischerweise weder der Beschichter noch andere Komponenten bewegt werden und somit kein zusätzlicher Koordinationsbedarf entsteht. Die „inaktive“ Betriebsposition kann z. B. auch während des Rüstens, Reinigens, Flutens etc. der Schichtbauvorrichtung bzw. in Prozessnebenzeiten gewählt werden. Auch diese Steuerung bzw. Regelung der Betriebsstellungen der Heizeinrichtung und/oder der Strömungsleiteinrichtung und/oder der Einleiteinrichtung stellt generell einen eigenen Erfindungsaspekt dar, der unabhängig von den anderen Erfindungsaspekten realisierbar ist.For example, a method or moving the heating device and / or the flow guiding device and / or the introducing device into a lateral parking position and / or moving or pivoting upwards (z direction) into the free space of the process chamber can be provided. Moving upwards in particular offers the advantage of high operational reliability, since in a region of the process chamber that is close to the ceiling or away from the construction area, typically neither the coater nor other components are moved, and there is therefore no need for additional coordination. The "inactive" operating position can e.g. B. can also be selected during set-up, cleaning, flooding etc. of the layer construction device or in non-process times. This control or regulation of the operating positions of the heating device and / or the flow guide device and / or the introduction device generally represents a separate aspect of the invention, which can be implemented independently of the other aspects of the invention.
Weitere Vorteile ergeben sich dadurch, dass der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung und/oder wenigstens ein Leitflächensegment an der Heizvorrichtung festgelegt ist und/oder dass der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung und/oder wenigstens ein Leitflächensegment in Abhängigkeit einer Bewegung der Heizvorrichtung bewegbar ist. Da die Heizeinrichtung zur Temperierung eines zu verfestigenden, eines in einem Verfestigungsprozess befindlichen und/oder eines bereits verfestigten Bereichs des herzustellenden Bauteils dient, ist eine gemeinsame Anordnung bzw. Bewegbarkeit vorteilhaft, da hierdurch sichergestellt wird, dass das Schutzgas stets über einen für die Bauteilqualität besonders relevanten Bereich des Werkstoffs geleitet wird. Damit werden etwaige Störstoffe besonders zuverlässig entfernt, so dass eine besonders hohe Bauteilqualität gewährleistet ist.Further advantages result from the fact that the end region of the channel of the flow guide device comprising the outlet opening and / or at least one guide surface segment is fixed on the heating device and / or that the end region of the channel of the flow guide device comprising the outlet opening and / or at least one guide surface segment is dependent on a movement the heater is movable. Since the heating device is used for tempering a region of the component to be solidified, a part of the component to be solidified and / or an already solidified area, a common arrangement or mobility is advantageous, since this ensures that the protective gas always has a particular value for the component quality relevant area of the material. Any contaminants are removed particularly reliably, so that a particularly high component quality is guaranteed.
Eine besonders präzise Ausrichtung der Hauptströmungsrichtung des Schutzgases wird in weiterer Ausgestaltung dadurch erreicht, dass der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung eine Düse umfasst. Die Düse kann auf ihrer Länge eine konstante Öffnungsquerschnittsfläche haben, alternativ kann sich die Öffnungsquerschnittsfläche erweitern, verjüngen oder komplexe Geometrien aufweisen.A particularly precise alignment of the main flow direction of the protective gas is achieved in a further embodiment in that the end region of the channel of the flow guiding device comprising the outlet opening comprises a nozzle. The length of the nozzle can have a constant opening cross-sectional area, alternatively the opening cross-sectional area can widen, taper or have complex geometries.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schichtbauvorrichtung die Hauptströmungsrichtung des Schutzgases derart auf die wenigstens eine Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung zu richten, dass die Hauptströmungsrichtung eine betragsmäßige Neigung von höchstens 30°, beispielsweise von 30°, 29°, 28°, 27°, 26°, 25°, 24°, 23°, 22°, 21°, 20°, 19°, 18°, 17°, 16°, 15°, 14°, 13°, 12°, 11°, 10°, 9°, 8°, 7°, 6°, 5°, 4°, 3°, 2°, 1° oder 0° relativ zu einer Ebene parallel zum Baufeld, bevorzugt relativ zu einer Horizontalen, aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Hauptströmungsrichtung des Schutzgasstroms bzw. eine die Austrittsöffnung und die Eintrittsöffnung verbindende virtuelle Linie zumindest annähernd parallel zum Baufeld bzw. horizontal ausgerichtet ist, um das Schutzgas zusammen mit eventuell mitgeführten Verunreinigungen entsprechend umlenkungs- und verwirbelungsarm über das Baufeld zu leiten und aus der Prozesskammer abzuführen. Neben einem besonders zuverlässigen Abtransport von Störteilchen, unerwünschten Prozessgasen etc. wird damit auch eine unerwünschte Aufwirbelung des Werkstoffs besonders zuverlässig verhindert, da der Schutzgasstrom nicht auf eine Wand, d. h. auf einen Strömungswiderstand, gelenkt bzw. umgelenkt wird. Hierdurch kann die Bauteilqualität entsprechend steigen. Alternativ oder zusätzlich ist es vorgesehen, dass die Strömungsleiteinrichtung dazu ausgebildet ist, im Betrieb der Schichtbauvorrichtung die Hauptströmungsrichtung des Schutzgases derart auf die wenigstens eine Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung zu richten, dass die Hauptströmungsrichtung parallel oder koaxial zu einer Normalen eines Öffnungsquerschnitts der Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass die Fläche bzw. Ebene der Austrittsöffnung und die Fläche bzw. Ebene der Eintrittsöffnung einander im Betrieb der Schichtbauvorrichtung zumindest im Wesentlichen parallel gegenüber liegen. Dies erlaubt ein besonders verwirbelungsarmes Einbringen und Absaugen bzw. Abführen/Ausleiten des Schutzgases und gegebenenfalls mitgeführter Verunreinigungen aus der Prozesskammer.In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the flow guiding device is designed to direct the main flow direction of the protective gas towards the at least one inlet opening of the gas outlet device during operation of the layer construction device such that the main flow direction has an inclination of at most 30 °, for example of 30 ° , 29 °, 28 °, 27 °, 26 °, 25 °, 24 °, 23 °, 22 °, 21 °, 20 °, 19 °, 18 °, 17 °, 16 °, 15 °, 14 °, 13 °, 12 °, 11 °, 10 °, 9 °, 8 °, 7 °, 6 °, 5 °, 4 °, 3 °, 2 °, 1 ° or 0 ° relative to a plane parallel to the construction site, preferably relative to a horizontal. In other words, it is provided that the main direction of flow of the protective gas flow or a virtual line connecting the outlet opening and the inlet opening is oriented at least approximately parallel to the construction field or horizontally, in order to deflect the protective gas along with any entrained contaminants accordingly over the construction field with little deflection and turbulence to conduct and discharge from the process chamber. In addition to a particularly reliable removal of interfering particles, undesirable process gases, etc., this also reliably prevents an undesirable whirling up of the material, since the protective gas flow does not hit a wall, ie. H. is directed or deflected to a flow resistance. This can increase the component quality accordingly. As an alternative or in addition, it is provided that the flow guide device is designed to direct the main flow direction of the protective gas toward the at least one inlet opening of the gas outlet device during operation of the layer construction device such that the main flow direction is arranged parallel or coaxially to a normal of an opening cross section of the inlet opening of the gas outlet device . In other words, it is provided that the surface or plane of the outlet opening and the surface or plane of the inlet opening are at least essentially parallel to one another during operation of the layer construction device. This allows a particularly low-swirling introduction and extraction or removal / discharge of the protective gas and any entrained contaminants from the process chamber.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Austrittsöffnung des Kanals und/oder die wenigstens eine Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung im Betrieb der Schichtbauvorrichtung näher am Baufeld als an einer Prozesskammerdecke angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist es vorgesehen, dass die Austrittsöffnung der Strömungsleiteinrichtung und/oder die Eintrittsöffnung der Gasauslasseinrichtung im Betrieb baufeldnah, also näher am Baufeld als an der Prozesskammerdecke angeordnet ist bzw. sind, vorzugsweise in einer unteren Hälfte der Prozesskammer, weiter bevorzugt im untersten Drittel und besonders bevorzugt im untersten Viertel einer lichten Höhe, d. h. einer maximalen Innenhöhe, der Prozesskammer (vertikal bzw. senkrecht zum Baufeld betrachtet).In a further advantageous embodiment of the invention, it is provided that the outlet opening of the channel and / or the at least one inlet opening of the gas outlet device is arranged closer to the construction field than to a process chamber ceiling during operation of the layer construction device. In other words, it is provided that the outlet opening of the flow guide device and / or the inlet opening of the gas outlet device is or are arranged near the construction site during operation, i.e. closer to the construction site than to the process chamber ceiling, preferably in a lower half of the process chamber, more preferably in the bottom third and particularly preferably in the lowest quarter of a clear height, that is to say a maximum inner height, of Process chamber (viewed vertically or perpendicular to the construction field).
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Schichtbauvorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt, bei welchem vor, während und/oder nach einer additiven Herstellung zumindest eines Bauteilbereichs eines Bauteils durch ein additives Schichtbauverfahren mittels der Strömungsleiteinrichtung der die Austrittsöffnung umfassende Endbereich des Kanals der Strömungsleiteinrichtung oberhalb der Ebene des Baufelds angeordnet und derart relativ zur Ebene des Baufelds bewegt wird, dass zumindest ein überwiegender Teil des aus der Austrittsöffnung austretenden Schutzgases entlang einer zum Baufeld parallelen Hauptströmungsrichtung lokal über einen Teilbereich des Baufelds geleitet wird. Hierdurch kann eine prozesssicherere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit höherer Bauteilqualität erreicht werden, da vor, während und/oder nach dem Verfestigen einer Bauteilschicht eine zielgerichtete, lokal begrenzte Abführung von verwirbeltem Werkstoff, Staub, Kondensat, Rauch, Spratzern und/oder sonstigen Verunreinigungen mittels des lokalen Schutzgasstroms sichergestellt wird. Die Einleitung bzw. Einblasung des Schutzgasstroms erfolgt vorzugsweise in einem vorbestimmten Abstand zur Pulverschicht und zumindest im Wesentlichen parallel zum Baufeld, das heißt in der x-/y-Ebene der Schichtbauvorrichtung (±30° Abweichung aus der x-/y-Ebene, d. h. in z-Richtung möglich), um ein unerwünschtes Aufwirbeln des Werkstoffs zu verhindern. Dies stellt eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglichkeit dar, um zumindest ausgewählte Bereiche und insbesondere die momentane Verfestigungsstelle oder den momentanen Arbeitsbereich des zumindest einen Energiestrahls zuverlässig durch eine gerichtete, lokale Schutzgasströmung von Rauch, Kondensat bzw. sonstigen Verunreinigungen freizuhalten. Als Schutzgas kann generell jedes geeignete Gas oder Gasgemisch verwendet werden, das mit den jeweiligen Herstellungsbedingungen kompatibel ist. Beispielsweise kann das Schutzgas Argon und/oder ein anderes Edelgas bzw. Edelgasgemisch (He, Ne, Kr, Xe) umfassen oder sein. Vorzugsweise weist das Schutzgas möglichst geringe Verunreinigungen an Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Wasser(dampf) auf. Unter einer möglichst geringen Verunreinigung werden jeweils Gehalte von höchstens 20 ppm, insbesondere von höchstens 10 ppm oder weniger verstanden. Zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Schichtbauvorrichtung eine grundsätzlich optionale Steuervorrichtung umfassen. Die Steuervorrichtung kann eine Prozessoreinrichtung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Prozessoreinrichtung kann hierzu zumindest einen Mikroprozessor und/oder zumindest einen Mikrocontroller aufweisen. Des Weiteren kann die Prozessoreinrichtung einen Programmcode aufweisen, der dazu eingerichtet ist, bei Ausführen durch die Prozessoreinrichtung die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Der Programmcode kann in einem Datenspeicher der Prozessoreinrichtung gespeichert sein. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ist der Ausdruck „ausgebildet zu“ so zu verstehen, dass nicht nur eine allgemeine Eignung vorliegt, sondern dass konkret hard- und/oder softwarebasierte Maßnahmen zur Durchführung der jeweils genannten Schritte eingerichtet und konfiguriert sind. Weitere Merkmale und deren Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung des ersten Erfindungsaspekts, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.A second aspect of the invention relates to a method for operating a layer construction device according to the first aspect of the invention, in which before, during and / or after an additive production of at least one component region of a component by an additive layer construction method by means of the flow guide device, the end region of the channel of the flow guide device comprising the outlet opening Arranged above the level of the construction field and is moved relative to the level of the construction field in such a way that at least a predominant part of the protective gas emerging from the outlet opening is passed locally over a partial region of the construction field along a main flow direction parallel to the construction field. In this way, a more reliable additive manufacturing of component layers of a component with higher component quality can be achieved, because before, during and / or after the solidification of a component layer, a targeted, locally limited removal of swirled material, dust, condensate, smoke, splashes and / or other contaminants is ensured by means of the local protective gas flow. The protective gas stream is preferably introduced or injected at a predetermined distance from the powder layer and at least substantially parallel to the construction site, that is to say in the x / y plane of the layer construction device (± 30 ° deviation from the x / y plane, ie possible in the z-direction) to prevent the material from being whirled up. This represents a structurally simple and inexpensive way to reliably keep at least selected areas and in particular the current consolidation point or the current working area of the at least one energy beam from smoke, condensate or other contaminants by a directed, local protective gas flow. Any suitable gas or gas mixture that is compatible with the respective production conditions can generally be used as the protective gas. For example, the protective gas can comprise or be argon and / or another noble gas or noble gas mixture (He, Ne, Kr, Xe). The protective gas preferably has minimal impurities in oxygen, nitrogen, hydrogen and water (steam). The lowest possible contamination means contents of at most 20 ppm, in particular of at most 10 ppm or less. To carry out the method according to the invention, the layer construction device can comprise a basically optional control device. The control device can have a processor device which is set up to carry out an embodiment of the method according to the invention. For this purpose, the processor device can have at least one microprocessor and / or at least one microcontroller. Furthermore, the processor device can have a program code which is set up to carry out the embodiment of the method according to the invention when executed by the processor device. The program code can be stored in a data memory of the processor device. In the context of the present disclosure, the expression “trained to” is to be understood in such a way that not only is it general suitability, but that specifically hardware and / or software-based measures are implemented and configured to carry out the steps mentioned in each case. Further features and their advantages result from the description of the first aspect of the invention, advantageous configurations of the first aspect of the invention being regarded as advantageous configurations of the second aspect of the invention and vice versa.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Speichermedium mit einem Programmcode, der dazu ausgebildet ist, bei Ausführen durch eine Recheneinrichtung eine Schichtbauvorrichtung gemäß dem ersten Erfindungsaspekt so zu steuern, dass diese ein Verfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt durchführt. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten und zweiten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Erfindungsaspekts anzusehen sind und umgekehrt.A third aspect of the invention relates to a storage medium with a program code, which is designed to control a layer construction device according to the first aspect of the invention when it is executed by a computing device so that it carries out a method according to the second aspect of the invention. The features resulting from this and their advantages can be found in the descriptions of the first and second aspects of the invention, advantageous configurations of the first and second aspects of the invention being regarded as advantageous configurations of the third aspect of the invention and vice versa.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
-
1 eine schematische und teiltransparente Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Schichtbauvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Perspektivansicht einer Einleiteinrichtung und einer Heizeinrichtung, die an einem Tragarm angeordnet sind; -
3 eine schematische Perspektivansicht der Einleiteinrichtung und Strömungsleiteinrichtung, die gemeinsam an dem Tragarm angeordnet sind; -
4 eine schematische seitliche Schnittansicht der Schichtbauvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; -
5 eine schematische Aufsicht einer Variante der in4 gezeigten Schichtbauvorrichtung, -
6 eine schematische Perspektivansicht, in Teilen Schnittansicht, der Schichtbauvorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und -
7 eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht der Schichtbauvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zur additiven Fertigung von Fertigungsprodukten;
-
1 a schematic and partially transparent perspective view of a layer construction device according to the invention according to a first embodiment; -
2 a schematic perspective view of an introduction device and a heating device which are arranged on a support arm; -
3 a schematic perspective view of the introduction device and flow guide device, which are arranged together on the support arm; -
4 is a schematic side sectional view of the layer construction device according to another embodiment; -
5 a schematic supervision of a variant of the in4 layer construction device shown, -
6 is a schematic perspective view, partly in section, of the layer construction device according to a further embodiment; and -
7 a schematic, partly in section view of the layer construction device according to the prior art for additive manufacturing of manufacturing products;
Eine in
Weiter enthält die Schichtbauvorrichtung
Das Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs
Die Schichtbauvorrichtung
Die Pulverschicht
Eine besonders prozesssichere additive Herstellung von Bauteilschichten eines Bauteils mit hoher Qualität wird dadurch ermöglicht, dass die Schichtbauvorrichtung
Der Einleiteinrichtung
Die Strömungsleiteinrichtung
Das Leitflächensegment
Der Tragarm
Diesen vergleichsweise kleinen und langsam bewegbaren effektiven Belichtungsbereich, nämlich ein in diesem Ausführungsbeispiel zumindest annähernd rechteckiges Feld, dessen Fläche im Wesentlichen vom Innenumfang der oberhalb davon angeordneten Induktionsspule
Die die Induktionsspule
Wie man insbesondere in
Bei der beschriebenen lokalen Beströmung des Baufelds
Generell kann die Bewegbarkeit der Heizeinrichtung
Vorzugsweise wird ein Antrieb der häufig ohnehin benötigten Heizeinrichtung
Wird beispielsweise als Heizeinrichtung
In einem weiteren Erfindungsaspekt, der unabhängig von den anderen Erfindungsaspekten ist, weist die Heizeinrichtung
Ein weiterer unabhängiger Erfindungsgedanke liegt in einer Koppelung der Bewegbarkeit der Strömungsleiteinrichtung
Im Unterschied zum in der
Die Ausgestaltung der Strömungsleiteinrichtung
Als weitere Alternative kann die Strömungsleiteinrichtung
Zur Vermeidung einer unerwünschten Erwärmung kann die Strömungsleiteinrichtung
Zusammenfassend ermöglicht die erfindungsgemäße Schichtbauvorrichtung
Alternativ kann die Strömungsleiteinrichtung
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.The parameter values specified in the documents for the definition of process and measurement conditions for the characterization of specific properties of the subject matter of the invention are also to be considered within the scope of deviations - for example due to measurement errors, system errors, DIN tolerances and the like - as included in the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference list
- 1010
- SchichtbauvorrichtungLayer construction device
- 1212th
- HeizeinrichtungHeating device
- 12a12a
- InduktionsspuleInduction coil
- 12b12b
- InduktionsspuleInduction coil
- 1414
- EinleiteinrichtungDischarge device
- 14a14a
- AuslassöffnungOutlet opening
- 1616
- StrömungsleiteinrichtungFlow control device
- 16a16a
- LeitflächensegmentControl surface segment
- 16b16b
- LeitflächensegmentControl surface segment
- 16c16c
- LeitflächensegmentControl surface segment
- 1818th
- Gehäusecasing
- 2020th
- ProzesskammerProcess chamber
- 2222
- EinkoppelfensterCoupling window
- 2424
- PulverbettPowder bed
- 2828
- TragvorrichtungCarrying device
- 28a28a
- TragarmBeam
- 28b28b
- TragarmBeam
- 28c28c
- TragarmBeam
- 30, 30', 30"30, 30 ', 30 "
- GasauslasseinrichtungGas outlet device
- 34, 34', 34"34, 34 ', 34 "
- GaszuführkanalGas supply duct
- 3636
- Kanalchannel
- 4040
- Bauteilcomponent
- 4242
- KammerwandungChamber wall
- 4444
- BaubehälterBuilding container
- 4646
- WandungWall
- 4848
- ArbeitsebeneWorking level
- 5050
- Trägercarrier
- 5252
- Grundplattebaseplate
- 5454
- BauplattformConstruction platform
- 5656
- Werkstoffmaterial
- 5858
- VorratsbehälterStorage container
- 6060
- BeschichterCoater
- 6262
- ÜberlaufbehälterOverflow tank
- 6464
- BelichtungsvorrichtungExposure device
- 6666
- Laserlaser
- 6868
- Laserstrahllaser beam
- 7070
- UmlenkvorrichtungDeflection device
- 7272
- FokussiervorrichtungFocusing device
- 7474
- SteuereinheitControl unit
- II.
- BaufeldConstruction site
- IVIV
- Grenzen der Ausdehnung eines GasstromsLimits of gas flow expansion
- x, yx, y
- horizontale Richtunghorizontal direction
- ze.g.
- vertikale Richtungvertical direction
- LL
- Auftrefffläche eines EnergiestrahlsImpact area of an energy beam
- SS
- BaufeldseiteConstruction site side
- HH
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
- PhPh
- Höchster Punkt der StrömungsleiteinrichtungHighest point of the flow control device
- PnPn
- Niedrigster Punkt der StrömungsleiteinrichtungLowest point of the flow control device
Claims (15)
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102018121136.8A DE102018121136A1 (en) | 2018-08-29 | 2018-08-29 | Layer construction device for additive manufacturing of at least one component area of a component, method for operating such a layer construction device and storage medium |
Publications (1)
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DE102018121136.8A Pending DE102018121136A1 (en) | 2018-08-29 | 2018-08-29 | Layer construction device for additive manufacturing of at least one component area of a component, method for operating such a layer construction device and storage medium |
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