DE102018215301A1

DE102018215301A1 - Vorrichtung und Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102018215301A1
Application number: DE102018215301.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Mehl
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2018-09-07
Filing date: 2018-09-07
Publication date: 2020-03-12
Also published as: WO2020048798A1

Abstract

Eine Herstellvorrichtung (1) zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials (13) umfasst eine Beströmungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms (30) in der Herstellvorrichtung (1). Die Beströmungsvorrichtung umfasst ein Strömungsmodifikationselement (32, 40) zum Einleiten des Gasstroms (30) in die Prozesskammer (3). Das Strömungsmodifikationselement (32, 40) umfasst einen Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und eine Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen (44) einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen (44) aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials, insbesondere auf ein Strömungsmodifikationselement zur Verwendung in einer derartigen Vorrichtung bzw. einem derartigen Verfahren.
Vorrichtungen und Verfahren dieser Art werden beispielsweise beim Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder Additive Manufacturing verwendet. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist unter dem Namen „Selektives Lasersintern oder Laserschmelzen“ bekannt. Dabei wird wiederholt eine dünne Schicht eines pulverförmigen Aufbaumaterials aufgebracht und das Aufbaumaterial in jeder Schicht durch selektives Bestrahlen von einem Querschnitt des herzustellenden Objekts entsprechenden Stellen mit einem Laserstrahl selektiv verfestigt.
Durch den Energieeintrag beim selektiven Verfestigen können Verunreinigungen wie Spratzer, Rauche, Schmauche, Dämpfe und/oder Gase entstehen, die sich in der Prozesskammer ausbreiten. Zusätzlich können bei Verwendung eines pulverförmigen Aufbaumaterials Verunreinigungen dadurch entstehen, dass Pulver oder Pulverstaub in der Prozesskammer aufgewirbelt werden. Verunreinigungen können den Fertigungsprozess negativ beeinflussen, beispielsweise indem sie den scannenden Laserstrahl absorbieren, streuen oder ablenken, sich auf einem Einkoppelfenster für den Laserstrahl niederschlagen oder sich auf einer Aufbaumaterialschicht ablagern. Um hohen Qualitäts- und Effizienzanforderungen an den Fertigungsprozess zu genügen, müssen solche Verunreinigungen daher möglichst schnell aus der Prozesskammer abtransportiert werden.
Zum Ableiten von Verunreinigungen aus der Prozesskammer ist aus der WO 2015/144884 A1 ein Düsenelement bekannt, durch das ein Gasstrom in die Prozesskammer eingeleitet wird. Der Gasstrom wird durch einen Gasauslass an der dem Düsenelement gegenüberliegenden Seite der Prozesskammer abgeleitet, so dass der Gasstrom über das Baufeld, in welchem das Aufbringen und selektive Verfestigen des Aufbaumaterials erfolgt, geleitet wird. Durch diese baufeldnahe Gasströmung werden die auftretenden Verunreinigungen möglichst nahe an ihrem Entstehungsort, d.h. am Baufeld, abtransportiert und so das Ausbreiten der Verunreinigungen in die Prozesskammer hinein verringert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative bzw. verbesserte Vorrichtung bzw. ein alternatives bzw. verbessertes Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials bereitzustellen, mit denen insbesondere der baufeldnahe Abtransport von Verunreinigungen verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 11, ein Strömungsmodifikationselement gemäß Anspruch 12, eine Beströmungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, die Verwendung eines Strömungsmodifikationselements gemäß Anspruch 14 und durch ein Beströmungsverfahren gemäß Anspruch 15. Weiterbildungen der Erfindung sind jeweils in den Unteransprüchen angegeben. Dabei können die Verfahren auch durch die untenstehenden bzw. in den Unteransprüchen ausgeführten Merkmale der Vorrichtungen weitergebildet sein oder umgekehrt, bzw. die Merkmale der Vorrichtungen und der Verfahren können auch jeweils untereinander zur Weiterbildung genutzt werden.
Eine erfindungsgemäße Herstellvorrichtung dient zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Objekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden. Die Herstellvorrichtung umfasst:

- einen Baubehälter zur Aufnahme des Aufbaumaterials,
- eine oberhalb des Baubehälters vorgesehene Prozesskammer,
- ein zwischen dem Baubehälter und der Prozesskammer vorgesehenes Baufeld,
- eine Verfestigungsvorrichtung zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials,
- eine Beströmungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms in der Herstellvorrichtung, wobei die Beströmungsvorrichtung ein Strömungsmodifikationselement zum Einleiten des Gasstroms in die Prozesskammer umfasst,

- einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite und
- eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist.

Unter der Prozesskammer wird im Rahmen der Anmeldung ein Hohlraum verstanden, der teilweise durch das Baufeld begrenzt ist und vorzugsweise das Baufeld zum Aufbauen des Objekts umfasst. Vorzugsweise bildet das Baufeld einen Teil eines Bodenbereichs auf einer unteren Seite der Prozesskammer. Die Prozesskammer kann ein mit Ausnahme eines Gaseinlasses, welcher durch das Strömungsmodifikationselement gebildet ist, und eines Gasauslasses und gegebenenfalls weiterer Gaseinlässe und/oder Gasauslässe im Wesentlichen geschlossener Hohlraum sein.
Das Strömungsmodifikationselement kann in einer Wandung der Prozesskammer vorgesehen sein, die den Innenraum der Prozesskammer begrenzt und damit den Hohlraum umschließt. Das Strömungsmodifikationselement kann eine Erstreckung senkrecht zur Prozesskammerwandung aufweisen, beispielsweise von der Prozesskammer abgesetzt sein bzw. in die Prozesskammer hineinragen oder zurückversetzt sein. Der Körper des Strömungsmodifikationselements ist vorzugsweise aus einem festen Material gebildet.
Ein Kanal des Strömungsmodifikationselements bildet einen Gasdurchlass, durch welchen das Gas in die Prozesskammer einströmen kann. Dabei tritt das Gas im Betrieb der Beströmungsvorrichtung in Form von Gaseinlassteilströmen in die Prozesskammer ein, wobei durch jeweils einen Kanal ein Gaseinlassteilström eingeleitet wird. Ein Kanal ist dabei allseitig begrenzt durch Wandungen zwischen Öffnungen an der Gaseintrittsseite und der Gasaustrittsseite, d. h. das Gas verläuft geführt innerhalb der Kanäle. Das Strömungsmodifikationselement ist ansonsten geschlossen, d. h. die Kanäle bilden die einzigen gasdurchlässigen Öffnungen, durch welche Gas in die Prozesskammer einströmen kann. Die Wandungen zwischen benachbarten Kanälen verhindern dabei, dass das Gas von einem Kanal in einen benachbarten Kanal austritt. Somit stellt das Strömungsmodifikationselement einen dreidimensionalen Bereich dar, durch den Gas in die Prozesskammer eingeleitet werden kann, also einen Gaseinlass. Die Kanäle werden auch als Hauptkanäle bezeichnet.
Die Erstreckungsrichtung eines Kanals verläuft durch die Schwerpunkte oder Mittelpunkte der Kanalquerschnittsflächen des Kanals, wobei die Kanalquerschnittsflächen senkrecht zur Erstreckungsrichtung ermittelt werden. Der Schwerpunkt kann z. B. im Fall eines Kreises gleichzeitig der Mittelpunkt der Kanalquerschnittsfläche sein. Die Erstreckungsrichtung kann eine Gerade, eine Kurve oder ein Polygonzug sein, d. h. sie umfasst den Fall eines oder mehrerer gekrümmter oder abgewinkelter Kanäle (d. h. kann auch eine gekrümmte Linie sein), bezeichnet also eine „lokale Richtung“ eines Kanals bzw. der Kanäle. Mit anderen Worten kann die Erstreckungsrichtung in ihrem Verlauf mehrere Raumrichtungen umfassen.
Der Begriff „Kanalquerschnittsfläche“ ist dabei nicht auf die Querschnittsfläche des Kanals an der eintritts- oder austrittsseitigen Öffnung beschränkt. Vielmehr kann sich der Begriff „Kanalquerschnittsfläche“ im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auf eine Querschnittsfläche des Kanals an einer beliebigen Stelle des Kanals beziehen. Beispielsweise kann der Kanal bzw. können die Kanäle in dem ersten Längenabschnitt als Diffusor ausgebildet sein. Aufgrund der Verringerung der Querschnittsfläche ausgehend von der Austrittsöffnung in Richtung der Eintrittsöffnung des Kanals bzw. der Kanäle lässt sich ein derartiger Diffusor auch als Austritts- bzw. Enddiffusor bezeichnen.
Dabei wird die Kanalquerschnittsfläche durch eine Schnittebene durch den jeweiligen Kanal ermittelt, die senkrecht zur jeweiligen Erstreckungsrichtung des Kanals steht.
Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche meint, dass sich der Flächeninhalt der Querschnittsfläche entlang der Erstreckungsrichtung bzw. Ausdehnungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle verringert. Im Betrieb des Strömungsmodifikationselements, d. h. unter Bezug auf die Richtung des Gasdurchflusses durch den Kanal bzw. die Kanäle, ist der Kanalquerschnitt über den ersten Längenabschnitt jedoch divergent. Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche kann z. B. kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Eine diskontinuierliche Verringerung bzw. Verkleinerung schließt beispielsweise eine abschnittsweise oder lokale Aufweitung bzw. Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche mit ein, während dies bei einer kontinuierlichen Verringerung bzw. Verkleinerung ausgeschlossen ist. Die Verringerung bzw. Verkleinerung kann dabei beispielsweise gestuft ausgebildet sein, d. h. die Kanalwandung umfasst eine Stufe oder mehrere, d. h. zumindest zwei, Stufen, vorzugsweise mindestens fünf, weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens 20 Stufen. Alternativ kann die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche auch ungestuft ausgebildet sein.
Ein Maß für eine Verringerung bzw. Aufweitung einer Kanalquerschnittsfläche kann beispielsweise ein Winkel und/oder eine Steigung und/oder eine Krümmung einer Wandung bzw. eines Wandabschnitts der jeweiligen Kanals in Bezug auf die Erstreckungsrichtung des Kanals sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein derartiges Maß für die Verringerung bzw. Aufweitung ein prozentualer oder absoluter Wert der Verringerung bzw. Vergrößerung des Flächeninhalts sein.
Der erste Längenabschnitt ist kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Die Aufweitung des Kanals bzw. der Kanäle in Gasflussrichtung beginnt somit an einer Stelle innerhalb des Kanals, die von der Eintrittsöffnung des Kanals beabstandet ist. Mit anderen Worten ist im Betrieb stromaufwärts des ersten Längenabschnitts des bzw. der Kanäle ein weiterer Längenabschnitt des Kanals (mit einer Länge größer Null) angeordnet. Er kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, um Eigenschaften des Teilgasstroms wie z. B. Geschwindigkeit, Richtung oder Verwirbelungen zu beeinflussen, bevor er im ersten Längenabschnitt eine Aufweitung erfährt.
Das Strömungsmodifikationselement kann z. B. bewegbar innerhalb der Prozesskammer oder ortsfest innerhalb der Prozesskammer oder ortsfest an der Schnittstelle zwischen der Prozesskammer und einer Gaszuführung angeordnet sein. Beispielsweise kann es am Ende einer Gasleitung angeordnet sein, die durch eine Aussparung in der Wandung der Prozesskammer in den Hohlraum der Prozesskammer mündet.
Das Strömungsmodifikationselement kann dazu ausgebildet sein, eine globale Strömung, d. h. zumindest eine Hauptströmung, über dem Baufeld und angrenzend an das Baufeld zu erzeugen, welche das Baufeld vollständig überdeckt. Alternativ kann es dazu ausgebildet sein, eine lokale Strömung innerhalb der Prozesskammer zu erzeugen, die ebenfalls angrenzend an das Baufeld verläuft, es aber nur teilweise bzw. bereichsweise überdeckt.
Die Querschnittsverringerung von der Gasaustrittsseite aus, d. h. gegen die Durchströmungsrichtung, bedeutet eine Aufweitung des bzw. der Kanäle in der Durchströmungsrichtung. D. h., der jeweilige Teilgasstrom wird ebenfalls aufgeweitet, bevor er durch die Austrittsöffnung als Freistrahl in die Prozesskammer strömt. Dadurch sinkt die Geschwindigkeit des jeweiligen Teilgasstroms im ersten Längenabschnitt zumindest örtlich gemittelt. Gleichzeitig wird ein größeres Volumen gerichtet durchströmt und durch die Reduzierung nicht gerichtet durchströmter Bereiche eine Turbulenzneigung in diesen „undefinierten“ Bereichen verringert. Die Aufweitung der Mehrzahl der Teilgasströme im ersten Längenabschnitt bewirkt also eine homogenere Gesamtgasströmung in der Prozesskammer.
Die Querschnittsverengung ist dabei vorzugsweise nicht abrupt bzw. sprunghaft ausgebildet, sondern über eine gewisse Distanz, d. h. die Länge des ersten Längenabschnitts ausgeführt, wodurch Reibungsverluste, welche durch eine Kollision der Gasmoleküle mit den Wänden erzeugt werden, reduziert bzw. vermieden werden können. Dies kann zu einer weiteren Verbesserung, insbesondere Homogenisierung der Strömung, d. h. einer Verringerung von Verwirbelungen, in der Strömung innerhalb der Prozesskammer führen. Die lokal und zeitlich schwankende Geschwindigkeit in einer turbulenten Strömung hingegen kann einen effektiven Abtransport von Verunreinigungen, z. B. über dem Baufeld, verhindern. Eine homogene und möglichst wenig turbulente Strömung ist daher wünschenswert, um einen guten Abtransport von Verunreinigungen aus der Prozesskammer erzielen zu können.
Vorzugsweise umfasst bzw. umfassen mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Strömungsmodifikationselements einen zweiten Längenabschnitt, wobei die Kanalquerschnittsfläche(n) des Kanals bzw. der Kanäle im zweiten Längenabschnitt im Wesentlichen konstant ist/sind und wobei weiter bevorzugt der zweite Längenabschnitt entlang der Erstreckungsrichtung an den ersten Längenabschnitt anschließt.
Der zweite Längenabschnitt ist, ebenso wie der erste Längenabschnitt, kürzer als eine Gesamtlängenerstreckung bzw. Gesamtlänge des Kanals zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Der erste und der zweite Längenabschnitt überschneiden einander vorzugsweise nicht, sind also voneinander separiert. Der erste Längenabschnitt grenzt an ein Ende des Kanals auf der Gasaustrittsseite an und der zweite Längenabschnitt grenzt vorzugsweise an ein Ende des ersten Längenabschnitts an, welches der Gasaustrittsöffnung abgewandt ist. Der Kanal kann vollständig aus dem ersten und dem zweiten Längenabschnitt gebildet sein oder einen weiteren, beispielsweise weiter unten näher spezifizierten dritten Längenabschnitt umfassen.
Der zumindest eine Kanal bzw. die Kanäle umfassen somit vorzugsweise zumindest einen ersten divergenten Abschnitt, d. h. einen Abschnitt, der eine Querschnittsverengung gegen die Flussrichtung des Teilgasstroms bzw. eine Querschnittserweiterung in der Flussrichtung des Teilgasstroms aufweist, und einen zweiten Abschnitt mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt.
Der Begriff „im Wesentlichen“ impliziert dabei, dass geringfügige, beispielsweise produktionsbedingt, geringfügige Abweichungen der Kanalquerschnittsfläche über den zweiten Längenabschnitt hinweg mitumfasst sind.
Der zweite Längenabschnitt ist also in Gasflussrichtung, d. h. stromaufwärts, vor dem ersten Längenabschnitt angeordnet. Er liegt also der Gaseintrittsseite bzw. Gaseintrittsöffnung des Kanals näher als der erste Längenabschnitt und grenzt nicht an die Gasaustrittsöffnung an. Er kann, muss aber nicht zwingend an die Gaseintrittsöffnung angrenzen. Vorzugsweise ist die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts identisch mit der minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts. Damit ist ein Übergang zwischen den beiden Längenabschnitten möglichst glattflächig, d. h. glatt, bzw. ohne Stufen und Sprünge ausgebildet. Der zweite Längenabschnitt bietet den Vorteil einer Verringerung von Turbulenzen, insbesondere Reduzierung der Ausdehnung von Störströmungen innerhalb des Teilgasstroms, die quer oder schräg zur Gasflussrichtung durch den Kanal, d. h. auch quer zur Erstreckungsrichtung des bzw. der Kanäle gerichtet sind. Ihre maximale Ausdehnung senkrecht zur Erstreckungsrichtung wird auf die entsprechende Ausdehnung des Querschnitts, z. B. auf einen Durchmesser des Kanals bzw. der Kanäle in dem zweiten Längenabschnitt, begrenzt.
Wie oben beschrieben dient die Querschnittsveränderung in dem ersten Längenabschnitt einer Aufweitung der Strömung. Für den Fall, dass die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts identisch mit der minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts ist, ist die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus dem Kanal an der Gasaustrittsseite des Strömungsmodifikationselements in hohem Maß durch die Größe der Kanalquerschnittsfläche des Kanals in dem zweiten Längenabschnitt bestimmt, d. h. dem Bereich des Kanals vor der Querschnittsaufweitung (in Gasdurchflussrichtung im Betrieb des Strömungsmodifikationselements).
Vorzugsweise umfasst bzw. umfassen mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Strömungsmodifikationselements einen dritten Längenabschnitt, der an die Eintrittsöffnung des Strömungsmodifikationselements anschließt, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) des Kanals bzw. der Kanäle im dritten Längenabschnitt ausgehend von der Eintrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern.
Die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche in dem dritten Längenabschnitt kann z. B. kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Eine diskontinuierliche Verringerung bzw. Verkleinerung schließt beispielsweise eine abschnittsweise oder lokale Aufweitung bzw. Vergrößerung der Kanalquerschnittsfläche mit ein, während dies bei einer kontinuierlichen Verringerung bzw. Verkleinerung ausgeschlossen ist. Die Verringerung bzw. Verkleinerung kann dabei beispielsweise gestuft ausgebildet sein, d. h. die Kanalwandung umfasst eine Stufe oder mehrere, d. h. zumindest zwei, Stufen, vorzugsweise mindestens fünf, weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens 20 Stufen. Alternativ kann die Verringerung bzw. Verkleinerung der Kanalquerschnittsfläche auch ungestuft sein.
Die Querschnittsverringerung von der Gaseintrittsseite aus, d. h. in der Durchströmungsrichtung, bedeutet eine Verengung des bzw. der Kanäle in der Durchströmungsrichtung. Der dritte Längenabschnitt bildet somit einen konvergenten Kanalabschnitt und kann als Konfusor oder Düse ausgebildet sein. Dadurch wird der jeweilige Teilgasstrom seiner Flussrichtung nach zunächst im dritten Längenabschnitt „gebündelt“, bevor er im ersten Längenabschnitt wieder aufgeweitet wird. Die Geschwindigkeit des Teilgasstroms steigt im ersten Längenabschnitt an, da hier ein Druck im Gasvolumen in eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Gasvolumens umgewandelt wird. Gleichzeitig bewirkt die Querschnittsverengung stromaufwärts eine Druckerhöhung bzw. einen Staudruck in der Zufuhrleitung, der für eine Homogenisierung und/oder Beruhigung des ankommenden Gasstroms stromaufwärts des Strömungsmodifikationselements sorgt. Dort kann sich somit eine Vergleichmäßigung von Strömungseigenschaften einstellen, die eine Qualität der Teilgasströme in den Kanälen des Strömungsmodifikationselements positiv beeinflussen und anschließend auch eine Homogenisierung des durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleiteten Gasstroms begünstigen kann. Beispielsweise kann eine einheitlichere bzw. gleichmäßigere Verteilung von Strömungsrichtungen, Strömungsgeschwindigkeiten, Volumenströmen und/oder Drücken erzielt werden.
In Verbindung mit dem ersten Längenabschnitt kann der Kanal bzw. können die Kanäle beispielsweise als sogenannte „konvergent-divergente Düse“ ausgeprägt sein.
Vorzugsweise schließt sich der dritte Längenabschnitt entlang der Erstreckungsrichtung an den zweiten Längenabschnitt an. Vorzugsweise entspricht die Kanalquerschnittsfläche im zweiten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle einer minimalen Kanalquerschnittsfläche im ersten Längenabschnitt und/oder im dritten Längenabschnitt. Dies bietet den Vorteil von stufenlosen Übergängen der Wandungen zueinander und sorgt somit für eine Verbesserung der Strömungseigenschaften der durch den jeweiligen Kanal bzw. die jeweiligen Kanäle geführten Gasteilströme.
Insbesondere bevorzugt ist/sind mindestens ein Kanal, bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt alle Kanäle des Düsenelements nur durch den ersten, zweiten und dritten Längenabschnitt gebildet. Dies bedeutet, dass sich eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle durch eine Summe dieser drei Längenabschnitte ergibt und dass es keine weiteren, nicht näher spezifizierten Segmente des Kanals bzw. der Kanälen gibt. Der dritte Längenabschnitt erstreckt sich demgemäß zwischen der Gaseintrittsöffnung und dem zweiten Längenabschnitt des Strömungsmodifikationselements. Eine derartige Ausgestaltung eines Kanals bzw. der Kanäle bewirkt eine Beschleunigung des Gases im Vergleich mit seiner Geschwindigkeit vor dem Eintritt in das Strömungsmodifikationselement (dritter Längenabschnitt), anschließend eine Verringerung von Turbulenzen des Gasteilstroms (zweiter Längenabschnitt) sowie eine erneute Aufweitung, die jedoch unter einer möglichst gleichmäßigen Absenkung der Geschwindigkeit und möglichst großer Homogenität erfolgt (erster Längenabschnitt).
Der Effekt dieser Kaskade von Mitteln der Strömungsbildung liegt also in einer kontrollierten Beschleunigung des herangeführten Prozessgasvolumens und in der Ausprägung einer Strömung in der Prozesskammer bzw. oberhalb des Baufelds, die dem Ideal einer laminaren Strömung möglichst nahe kommt.
Die Gestalt der Kanäle, insbesondere die Querschnittsflächenverringerung in dem dritten Längenabschnitt und/oder die Aufweitung der Kanäle in dem ersten Längenabschnitt kann beispielsweise vorab mittels einer Computersimulation so berechnet werden, dass die gewünschten Strömungseigenschaften (insbesondere eine Druckdifferenz zwischen Gaseintrittsseite und Gasaustrittsseite und/oder ein Gegendruck auf der Gaseintrittsseite und/oder eine Austrittsgeschwindigkeit der Gasströmung aus dem Strömungsmodifikationselement) erzielbar sind, wenn ein Gas durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleitet wird.
Vorzugsweise weist die Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals, vorzugsweise einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements, in zumindest einem der Längenabschnitten, vorzugsweise in den drei Längenabschnitten zumindest eine einfach achsensymmetrische, vorzugsweise punktsymmetrische Geometrie auf.
Eine einfach achsensymmetrische Kanalquerschnittsfläche kann beispielsweise dreieckig sein. Beispiele für punktsymmetrische Kanalquerschnittsflächen sind ein Oval, ein Kreis, ein regelmäßiges Sechseck oder ein Rechteck.
Alternativ oder zusätzlich weist/weisen bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements eine gleiche geometrische Form auf. Wenn Kanalquerschnittsflächen verschiedener Kanäle eine gleiche geometrische Form aufweisen, so bedeutet dies nicht zwangsweise, dass sie auch gleich groß sind, d. h. den gleichen Flächeninhalt aufweisen.
Kanäle mit symmetrischen Kanalquerschnittsflächen haben beispielsweise den Vorteil gegenüber unregelmäßig geformten Kanälen, dass eine Verjüngung bzw. Verringerung der Kanalquerschnittsfläche über einen Längenabschnitt konstruktiv und herstellungstechnisch einfach umzusetzen ist.
Vorzugsweise verringert bzw. verringern sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt gemäß einer monoton, weiter bevorzugt streng monoton, fallenden Funktion und/oder gemäß einer glatten Funktion, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt besonders bevorzugt gemäß einer linearen Funktion verringert bzw. verringern.
Alternativ oder zusätzlich verringert bzw. verringern sich vorzugsweise die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt gemäß einer monoton, weiter bevorzugt streng monoton, fallenden Funktion und/oder gemäß einer glatten Funktion. Besonders bevorzugt verringert bzw. verringern sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt gemäß einer linearen Funktion. Ein Beispiel für eine derartige Verringerung der Kanalquerschnittsfläche ist ein konischer Konfusor.
Unter einer Verringerung der Kanalquerschnittsfläche „gemäß einer glatten Funktion“ ist zu verstehen, dass die gesamte Wandungsfläche knickfrei, d. h. insbesondere auch stufenlos ausgebildet ist. Beispielsweise weisen die Wände des Kanals bzw. der Kanäle insbesondere keine Unstetigkeiten wie z. B. Stufen auf. Ein Beispiel für eine derartige Verringerung der Kanalquerschnittsfläche ist ein Übergangsdiffusor. Im Unterschied zu einem Stufendiffusor sorgt er für einen geringeren Druckverlust und infolge geringerer Turbulenzbildung für eine höhere Homogenität der Strömung. Die Verringerung der Kanalquerschnittsfläche gemäß einer linearen Funktion bedeutet, dass die Neigung der gesamten Wandungsfläche oder eines Längsstreifens, d. h. Ausschnitts, der Wandung des bzw. der Kanäle über den gesamten ersten bzw. dritten Längenabschnitt den gleichen Winkel relativ zu der Erstreckungsrichtung des bzw. der Kanäle aufweist.
Durch eine derartige kontinuierliche Querschnittsverringerung kann beispielsweise die Homogenität der Strömung weiter verbessert werden, beispielsweise können Turbulenzen verringert werden.
Die Kanalquerschnittsfläche(n) kann bzw. können sich im ersten Längenabschnitt entlang einer einzigen Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern. Alternativ kann bzw. können sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im ersten Längenabschnitt entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Richtungen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern.
Die Kanalquerschnittsfläche(n) kann bzw. können sich im dritten Längenabschnitt entlang einer einzigen Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern. Alternativ kann bzw. können sich die Kanalquerschnittsfläche(n) im dritten Längenabschnitt entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Richtungen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringern.
Mit der Verringerung der Kanalquerschnittsfläche entlang einer einzigen Richtung ist eine zweidimensionale Verengung des Kanals bzw. der Kanäle gemeint. Beispielsweise kann die Höhe des Kanals bzw. der Kanäle konstant sein, während sich ein Abstand der Seitenwände über den entsprechenden Längenabschnitt hinweg verringert, Ebenso kann z. B. der Abstand der Seitenwände konstant sein und die Höhe des Kanals abnehmen. Analog ist mit einer Verringerung der Querschnittsfläche in zwei voneinander verschiedenen Richtungen eine zweidimensionale Verengung des Kanals bzw. der Kanäle gemeint.
Dadurch sind beispielsweise verschiedene Möglichkeiten für die Gestaltung der Kanäle gegeben.
Vorzugsweise ist die Erstreckungsrichtung gerade, d. h. geradlinig, also nicht gekrümmt, und die Eintrittsöffnung und die Austrittsöffnung mindestens eines Kanals, bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements sind jeweils derart angeordnet und/oder orientiert, dass die Erstreckungsrichtung durch ihren jeweiligen Flächenschwerpunkt, d. h sowohl durch den Flächenschwerpunkt der Eintrittsöffnung als auch durch den Flächenschwerpunkt der Austrittsöffnung, verläuft. Weiter bevorzugt verläuft die Erstreckungsrichtung des mindestens einen Kanals, vorzugsweise der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements parallel zum Baufeld, und/oder die Erstreckungsrichtungen der Mehrheit der Kanäle, vorzugsweise aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements verlaufen parallel zueinander.
Eine gerade Erstreckungsrichtung der Kanäle bedeutet, dass eine örtlich und zeitlich gemittelte Richtung eines durch die Eintrittsöffnung in die Strömungsmodifikationseinheit einströmenden Gases im Wesentlichen einer örtlich und zeitlich gemittelten Richtung eines durch die Austrittsöffnung aus der Strömungsmodifikationseinheit ausströmenden Gases entspricht, wobei zur Kompensation von prozessbedingten Schwankungen ein ausreichend großer Mittelungszeitraum vorausgesetzt wird.
Durch eine derartige Ausbildung des Strömungsmodifikationselements ist es beispielweise möglich, eine Verjüngung bzw. Verringerung der Kanalquerschnittsfläche über einen Längenabschnitt konstruktiv und herstellungstechnisch einfach umzusetzen. Zudem können die Kanäle des Strömungsmodifikationselement beispielsweise auf einfache Art und Weise in Zeilen und Spalten, d. h. in Form einer Matrix, wie weiter unten beschrieben, angeordnet sein. Insgesamt ist damit beispielweise eine effektive Nutzung des Körpers des Strömungsmodifikationselements möglich.
Vorzugsweise umfasst der erste Längenabschnitt mindestens 30%, weiter bevorzugt mindestens 40%, noch weiter bevorzugt mindestens 50% der Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung. Alternativ oder zusätzlich beträgt ein Neigungswinkel der Wandung des Kanals bzw. der Kanäle relativ zur Erstreckungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle im ersten Längenabschnitt vorzugsweise mindestens 1°, weiter bevorzugt mindestens 2°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder vorzugsweise höchstens 20°, weiter bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5°.
Je flacher der Neigungswinkel der Wandung bzw. des sich verjüngenden Teils der Wandung im ersten Längenabschnitt gewählt werden kann, desto besser liegt eine Teilgasströmung an der Wandung an bzw. desto geringer ist das Risiko einer Ablösung der Teilgasströmung von der Wandung und eine damit einhergehende Turbulenzbildung und sowie Verungleichmäßigung der Geschwindigkeit. Dies begünstigt einen turbulenzarmen Strömungsverlauf.
Vorzugsweise beträgt ein Neigungswinkel der Wandung des Kanals bzw. der Kanäle relativ zur Erstreckungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle im dritten Längenabschnitt mindestens 5°, weiter bevorzugt mindestens 10°, besonders bevorzugt mindestens 15° und/oder höchstens 40°, weiter bevorzugt höchstens 30°, besonders bevorzugt höchstens 20°. Je flacher der Neigungswinkel der Wandung bzw. des sich verjüngenden Teils der Wandung im ersten Längenabschnitt gewählt werden kann, desto geringer fällt der durch diesen Abschnitt verursachte Druckverlust durch Reibung infolge des Aufprallens bzw. Umlenkens der Gasmoleküle.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements entlang der Erstreckungsrichtung mindestens 5 cm, weiter bevorzugt mindestens 10 cm, besonders bevorzugt mindestens 15 cm.
Vorzugsweise nimmt der zweite Längenabschnitt mindestens 10%, weiter bevorzugt mindestens 20% einer Gesamtlänge des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ein. Alternativ oder zusätzlich entspricht die Länge des zweiten Längenabschnitts entlang der Erstreckungsrichtung vorzugsweise mindestens dem Dreifachen, weiter bevorzugt mindestens dem Fünffachen, besonders bevorzugt mindestens dem Zehnfachen der längsten Diagonale oder des Durchmessers der Kanalquerschnittsfläche im zweiten Längenabschnitt.
Eine derartige Gestaltung des zweiten Längenabschnitts sorgt für eine verbesserte Reduzierung von Turbulenzen, insbesondere von Störströmungen quer zur Erstreckungsrichtung des jeweiligen Kanals.
Vorzugsweise umfasst eine minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals, bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt aller Kanäle höchstens 90%, weiter bevorzugt höchstens 60%, besonders bevorzugt höchstens 30% einer maximalen Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der jeweiligen Kanäle. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Gasströmung mit besonders vorteilhaften Strömungseigenschaften zu erzeugen bzw. in die Prozesskammer einzuleiten.
Vorzugsweise beträgt eine minimale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle mindestens 10mm², weiter bevorzugt mindestens 30mm², noch weiter bevorzugt mindestens 50mm² und/oder vorzugsweise höchstens 200 mm², weiter bevorzugt höchstens 150mm², noch weiter bevorzugt höchstens 100mm². Alternativ oder zusätzlich beträgt eine maximale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle mindestens 100mm², weiter bevorzugt mindestens 150mm², noch weiter bevorzugt mindestens 200mm² und/oder vorzugsweise höchstens 800 mm², weiter bevorzugt höchstens 500mm², noch weiter bevorzugt höchstens 300mm².
Ein Wert für die minimale Kanalquerschnittsfläche kann z. B. in Abhängigkeit einer Reinigbarkeit der Kanäle des Strömungsmodifikationselements gewählt sein.
Vorzugsweise ist ein Wert für die minimale und/oder maximale Kanalquerschnittsfläche des Kanals bzw. der Kanäle im ersten, zweiten und dritten Längenabschnitt des Strömungsmodifikationselements in Abhängigkeit eines vorgegebenen Werts für eine Gasaustrittsgeschwindigkeit gewählt, mit der ein bzw. alle Teilgasströme im Betrieb aus der/den Austrittsöffnung(en) des Strömungsmodifikationselements in die Prozesskammer austritt/austreten, oder in Abhängigkeit eines vorgegebenen Werts für eine Geschwindigkeit, die ein Gesamtgasstrom in einer bestimmten Distanz zu der/den Austrittsöffnung(en) des Strömungsmodifikationselements in die Prozesskammer aufweist, z. B. über dem nächstliegenden Rand des Baufelds. Die Gasaustrittsgeschwindigkeit kann zusätzlich materialabhängig eingestellt werden und z. B. 3 m/s betragen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines ersten Kanals kleiner als die minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines zweiten Kanals, wobei der zumindest eine erste Kanal im eingebauten Zustand des Strömungsmodifikationselements vorzugsweise oberhalb des zumindest einen zweiten Kanals liegt. Dadurch, dass der erste Kanal in einer vertikalen Richtung (senkrecht zum Baufeld) oberhalb, d. h. weiter entfernt von dem Baufeld, liegt, kann eine Staffelung der Austrittsgeschwindigkeiten des Gases aus den Kanälen erzielt werden. Insbesondere kann dadurch bewirkt werden, dass die Austrittsgeschwindigkeit weiter unten, d. h. in Baufeldnähe, geringer ist als weiter oben, was beispielsweise einerseits ein Verblasen des unverfestigten Aufbaumaterials verhindern kann, andererseits einen schnelleren Abtransport von Verunreinigungen aus dem Bereich oberhalb des Baufelds bewirken kann.
Vorzugsweise entspricht die Kanalquerschnittsfläche des zweiten Längenabschnitts einer minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Längenabschnitts und/oder des dritten Längenabschnitts. Damit ist es möglich, einen stetigen, d. h. nicht gestuften Übergang zwischen den Längenabschnitten bereitzustellen, was die Strömungseigenschaften, insbesondere die Homogenität der Teilströme weiter verbessern kann.
Vorzugsweise entspricht in mindestens einem Kanal, bevorzugt in einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt in allen Kanälen des Strömungsmodifikationselements eine Kanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung im Wesentlichen einer Kanalquerschnittsfläche der Austrittsöffnung. Damit kann z. B. bei parallelen Erstreckungsrichtungen der Kanäle eine enge Staffelung der Kanäle im Strömungsmodifikationselement gewählt werden und eine Fläche der Stege zwischen den Eintrittsöffnungen bzw. Austrittsöffnungen kann vermindert werden. Dies kann beispielsweise eine Reduzierung oder Abschwächung von Richtungsänderungen der Gasströmung insbesondere auf der Gaseintrittsseite und eine Verminderung von Turbulenzen bewirken. Außerdem kann hierdurch beispielsweise ein Druckverlust durch Reibung durch das Strömungsmodifikationselement bzw. eine Druckdifferenz zwischen einem Raum vor dem Strömungsmodifikationselement und in einem Raum nach dem Strömungsmodifikationselement vermindert werden. Insgesamt bewirkt diese bevorzugte Ausgestaltungsform also eine Verbesserung der Strömungseigenschaften.
Vorzugsweise beträgt eine Zahl der Kanäle des Strömungsmodifikationselements mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100, besonders bevorzugt mindestens 150 und/oder höchstens 500, vorzugsweise höchstens 300, besonders bevorzugt höchstens 200.
Vorzugsweise ist das Strömungsmodifikationselement in einer Aussparung einer Wandung der Prozesskammer angeordnet und ein minimal umgebendes Rechteck um die Austrittsöffnungen erstreckt sich weiter bevorzugt im Wesentlichen ausgehend von einer Ebene des Baufelds, d. h. der Arbeitsebene, nach oben hin erstreckt.
Alternativ dazu kann das Strömungsmodifikationselement von der Arbeitsebene, d. h. der Ebene des Baufelds, beabstandet sein. Dies führt zu einer Beabstandung der in die Prozesskammer eingelassenen Teilgasströme, wodurch eine unerwünschte Turbulenzneigung durch eine Interaktion der Teilgasströme mit einem unbewegten oder nicht gerichtet durchströmten Prozessgasvolumen oberhalb der Arbeitsebene steigt. Daher ist es bevorzugt, dass die Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements möglichst nahe, insbesondere unmittelbar angrenzend an die Arbeitsebene bzw. die Ebene des Baufelds vorgesehen sind.
Als Synonym für das „minimal umgebende Rechteck“, d. h. ein minimales (gedachtes) Rechteck an der Gasaustrittsseite des Strömungsmodifikationselements, in dem alle Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements liegen, kann eine zweidimensionale bounding box gelten.
Die Austrittsöffnungen können beispielsweise in einer Ebene der Wandung der Prozesskammer angeordnet sein. Das Strömungsmodifikationselement kann an einem Endstück einer Gaszufuhrleitung angeordnet bzw. in das Endstück eingepasst sein, wozu das Endstück einen entsprechend dimensionierten Innenquerschnitt aufweisen kann. Die Eintrittsöffnungen sind entsprechend von der Prozesskammer beabstandet und der Gaszufuhrleitung zugewandt, aus der im Betrieb Prozessgas durch sie strömt.
Vorzugsweise erstrecken sich die Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements bis in eine Höhe von mindestens 4 cm, weiter bevorzugt mindestens 6 cm, noch weiter bevorzugt mindestens 8 cm und/oder höchstens 30 cm, weiter bevorzugt höchstens 20 cm, noch weiter bevorzugt höchstens 15 cm über der Ebene des Baufelds. Somit ist das Strömungsmodifikationselement beispielsweise in einem baufeldnahen, d. h. unteren Höhenbereich der Prozesskammer angeordnet, so dass ein durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleiteter Gasstrom die Prozesskammer im Wesentlichen in dem unteren, d. h. baufeldnahen Höhenbereich durchströmen kann, was zu einem effizienten Abtransport von Verunreinigungen direkt an deren Entstehungsort führen kann.
Vorzugsweise umfasst die Herstellvorrichtung weiter einen Gasauslass zum Ausleiten von Prozessgas aus der Prozesskammer, wobei der Gasauslass vorzugsweise auf einer dem Strömungsmodifikationselement gegenüber liegenden Seite der Prozesskammer ebenfalls baufeldnah angeordnet ist. Damit kann ein Gasstrom innerhalb der Prozesskammer zwischen dem Gaseinlass in die Prozesskammer (unter Durchströmung des Strömungsmodifikationselements) und dem Gasauslass aus der Prozesskammer erzeugt werden, der an eine Bodenfläche der Prozesskammer bzw. an das Baufeld angrenzt und lokal auf einen unteren Bereich einer Höhenerstreckung der Prozesskammer begrenzt ist. Somit kann eine verbesserte Abfuhr von Verunreinigungen, die im Zuge des Verfestigungsprozesses entstehen, zumindest aus einem Bereich der Prozesskammer oberhalb des Baufelds erzielt werden.
Vorzugsweise sind die Kanäle des Strömungsmodifikationselements in Form einer dreidimensionalen Matrix angeordnet und zum Erzeugen einer Hauptströmung über dem Baufeld ausgebildet. Weiter bevorzugt umfasst die Matrix mindestens zwei, noch weiter bevorzugt mindestens drei, noch weiter bevorzugt mindestens fünf Zeilen und/oder mindestens fünf, noch weiter bevorzugt mindestens zehn, noch weiter bevorzugt mindestens zwanzig Spalten.
Als eine Matrix wird eine regelmäßige gerasterte Anordnung der Kanäle verstanden. Die Zeilen sind vorzugsweise parallel zum Baufeld und in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Die Spalten sind vorzugsweise senkrecht zum Baufeld und in gleichem Abstand zueinander angeordnet. Damit ist beispielsweise eine Ausrichtung an der Arbeitsebene bzw. der Ebene des Baufelds möglich. Dies kann zu einer Vergleichmäßigung der Strömungseigenschaften oberhalb des Baufelds bzw. in einem das Baufeld umgebenden Bereich führen.
Vorzugsweise nimmt die aufsummierte Fläche der Austrittsöffnungen des Strömungsmodifikationselements, die den Kanälen der Matrix angehören, einen Anteil einer Fläche eines „minimal umgebenden Rechtecks“ ein, welches das Feld der Austrittsöffnungen fugenlos umrahmt, der mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 90% beträgt. Diese Ausgestaltungsform bietet den Vorteil schmaler Stege zwischen den Austrittsöffnungen und somit kleiner Zwischenräume zwischen den Teilgasströmen. Je kleiner die Zwischenräume zwischen den Teilgasströmen ausfallen, die aus den einzelnen Austrittsöffnungen in die Prozesskammer strömen, desto geringer ist die Turbulenzbildung und desto höher die Laminarität der Hauptströmung.
Vorzugsweise entspricht eine maximale horizontale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements mindestens einer Erstreckung einer nächstliegenden Seite im Falle eines rechteckigen Baufelds oder mindestens einem Durchmesser im Falle eines kreisförmigen Baufelds, weiter bevorzugt mindestens 110%, noch weiter bevorzugt mindestens 120% der Seitenlänge oder des Durchmessers. Alternativ oder zusätzlich entspricht vorzugsweise eine maximale vertikale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements höchstens einer Hälfte, weiter bevorzugt höchstens einem Drittel, noch weiter bevorzugt höchstens einem Viertel, noch weiter bevorzugt höchstens einem Fünftel der maximalen Innenhöhe der Prozesskammer.
Die maximale vertikale Erstreckung der Matrix entspricht vorzugsweise einem baufeldnahen Höhenbereich der Prozesskammer, d. h. einem unteren Bereich eines maximalen Abstands des Baufelds von einer Prozesskammerdecke. Unter einem „maximalen Abstand“ ist der Abstand des Baufelds von einem höchsten Punkt des Innenraums bzw. Hohlraums der Prozesskammer, d. h. eine maximale lichte Höhe der Prozesskammer zu verstehen, z. B. innerhalb eines an das Baufeld angrenzenden Bereichs der Prozesskammer (also des Hohlraums) mit einer Höhenerstreckung von 10% oder 15% des maximalen Abstands.
Die maximale horizontale bzw. vertikale Erstreckung der Matrix von Kanälen des Strömungsmodifikationselements kann z. B. anhand eines minimal umgebenden Rechtecks, d. h. einer zweidimensionalen bounding box, um die Austrittsöffnungen der Kanäle auf der Gasaustrittsseite ermittelt werden.
Durch eine derartige Ausgestaltung des Strömungsmodifikationselements bzw. Abmessung der Matrix kann beispielsweise erzielt werden, dass ein großer horizontaler Bereich des Baufelds bzw. der Prozesskammer, insbesondere die gesamte Fläche des Baufelds, zuverlässig überströmt bzw. durchströmt wird. Dies begünstigt einen effektiven Abtransport von Verunreinigungen in Baufeldnähe, d. h. nahe ihres Entstehungsortes, sodass sich die Verunreinigungen nicht oder lediglich in geringem Umfang weiter in die Prozesskammer hinein ausbreiten können. Somit ist es beispielsweise möglich, eine Präzision des lokalen Energieeintrags bei der selektiven Verfestigung zu erhöhen und dadurch die Qualität des herzustellenden Objekts zu verbessern.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement zumindest auf einer horizontal benachbarten Seite der Kanäle zumindest einen Leitkanal, vorzugsweise eine Mehrzahl von Leitkanälen zum Erzeugen einer Leitströmung über einem Boden der Prozesskammer neben dem Baufeld, wobei der Leitkanal bzw. die Leitkanäle den Körper des Strömungsmodifikationselements von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen und eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweist/aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind.
Weiter bevorzugt umfasst bzw. umfassen zumindest ein Leitkanal, bevorzugt eine Mehrheit der Leitkanäle, besonders bevorzugt alle Leitkanäle einen ersten Leitkanal-Längenabschnitt, der an die Gaseintrittsseite anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche sich ausgehend von der Eintrittsöffnung entlang einer Erstreckungsrichtung des Leitkanals verringert. Noch weiter bevorzugt umfasst bzw. umfassen der Leitkanal bzw. die Leitkanäle einen zweiten Leitkanal-Längenabschnitt, der an die Gasaustrittsseite anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche im Wesentlichen konstant ist, wobei besonders bevorzugt der Leitkanal bzw. die Leitkanäle durch den ersten Leitkanal-Längenabschnitt und den zweiten Leitkanal-Längenabschnitt gebildet sind.
Alternativ oder zusätzlich sind die Kanäle des Strömungsmodifikationselements weiter bevorzugt in einer dreidimensionalen Matrix angeordnet und der Leitkanal bzw. die Leitkanäle ist bzw. sind auf einer horizontal benachbarten Seite der dreidimensionalen Matrix von Kanälen angeordnet.
Somit können die Leitkanäle insbesondere ohne einen sich in Strömungsrichtung aufweitenden Längenabschnitt (Diffusor) bereitgestellt sein. Der fehlende Diffusor der Leitkanäle sorgt für eine höhere Austrittsgeschwindigkeit der jeweiligen Teilgasströme aus den Leitkanälen. Die damit einhergehende höhere Turbulenzneigung beeinträchtigt in der Regel nicht die Qualität der Hauptströmung, da die Leitströmung nicht über dem Baufeld, sondern seitlich dazu versetzt strömt. Die Leitströmung kann eine Hauptströmung führen und/oder etwaige Störströmungen aus nicht gerichtet beströmten Bereichen der Prozesskammer abschirmen. Auch hierdurch kann eine Homogenität der Hauptströmung verbessert werden. Als Hauptströmung wird dabei eine Strömung verstanden, die im Betrieb aus den Kanälen bzw. Hauptkanälen, also nicht den Leitkanälen, in die Prozesskammer eintritt und die vorzugsweise im Wesentlichen das gesamte Baufeld überströmt, d. h. das Baufeld global überströmt.
Die Erstreckungsrichtung der Leitkanäle kann parallel zu den Erstreckungsrichtungen der Kanäle der Matrix verlaufen oder abgewinkelt sein, z. B. nicht auf das Baufeld bzw. auf einen Gasauslass, sondern schräg nach außen zur Wandung der Prozesskammer weisen. Mit anderen Worten weist der erste Leitkanal-Längenabschnitt vorzugsweise eine erste Erstreckungsrichtung auf und der zweite Leitkanal-Längenabschnitt weist vorzugsweise eine zweite Erstreckungsrichtung auf, wobei die erste und die zweite Erstreckungsrichtung weiter bevorzugt jeweils gerade sind, und wobei die erste und die zweite Erstreckungsrichtung einen von null verschiedenen Winkel zueinander einschließen. Damit ist es beispielsweise möglich, schräg nach außen, d. h. in einem nach außen gerichteten Winkel zur Hauptströmung, austretenden Leitströmungen in die Prozesskammer einzuleiten.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement auf beiden horizontal benachbarten Seiten der dreidimensionalen Matrix von Kanälen zumindest einen Leitkanal, vorzugsweise zumindest eine Spalte von Leitkanälen.
Vorzugsweise ist die Leitkanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung zumindest eines Leitkanals, weiter bevorzugt einer Mehrzahl der Leiteinlasskanäle, noch weiter bevorzugt aller Leitkanäle größer als die Kanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung zumindest eines Kanals, vorzugsweise einer Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle. Damit kann beispielsweise eine Leitströmung erzielt werden, die einen größeren Volumenstrom pro durchströmtem Volumenelement aufweist als die durch die Kanäle eingeleitete Hauptströmung.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement weiter zumindest ein Leitelement mit zumindest einer Leitfläche zur zumindest abschnittsweisen Führung einer Gasströmung in der Prozesskammer, wobei das zumindest eine Leitelement ein erstes Ende aufweist, welches an dem Strömungsmodifikationselement auf dessen Gasaustrittsseite vorgesehen ist, vorzugsweise wobei das erste Ende des Leitelements spaltfrei an dem Strömungsmodifikationselement vorgesehen ist. Das erste Ende hat vorzugsweise eine vertikale Abmessung, die zumindest einer vertikalen Gesamterstreckung der Austrittsöffnungen der Kanäle und/oder der Leitkanäle entspricht. Weiter umfasst das Leitelement vorzugsweise ein zweites Ende, welches um eine Distanz von den Austrittsöffnungen der Kanäle und/oder der Leitkanäle beabstandet ist, beispielsweise um mindestens 1cm, vorzugsweise um mindestens 5 cm, besonders bevorzugt um mindestens 10 cm. Vorzugsweise umfasst das Leitelement eine Leitfläche, die einer im Betrieb der Beströmungsvorrichtung aus den Kanälen in die Prozesskammer ausströmenden Hauptströmung zugewandt ist und/oder eine Leitfläche, die einem im Betrieb der Beströmungsvorrichtung aus den Leitkanälen ausströmenden Leitströmung zugewandt ist. Vorzugsweise ist eine Richtung, in der sich die zumindest eine Leitfläche erstreckt, an eine Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts angepasst, wobei die Richtung, in der sich die zumindest eine Leitfläche erstreckt, weiter bevorzugt um einen Winkel von kleiner als 20°, noch weiter bevorzugt kleiner 10°, noch weiter bevorzugt kleiner 5° von der Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts abweicht, besonders bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanal-Längenabschnitts ist.
Mit einem derartigen Leitelement ist es beispielsweise möglich, eine durch das Strömungsmodifikationselement in die Prozesskammer eingeleitete Strömung, insbesondere die oben erwähnte Hauptströmung oder Leitströmung, zu Führen und/oder abzuschirmen, was beispielsweise zu einer Verbesserung der Strömungseigenschaften der Strömung führen kann, insbesondere zu einer besseren Homogenisierung der Strömung.
Vorzugsweise sind zumindest zwei Leitelemente an dem Strömungsmodifikationselement vorgesehen, wobei ein erstes der Leitelemente an einem ersten Ende des Strömungsmodifikationselements vorgesehen ist und ein zweites der Leitelemente an einem zweiten Ende des Strömungsmodifikationselements vorgesehen ist, wobei das erste und das zweite Ende des Strömungsmodifikationselements in eine horizontale Richtung, d. h. parallel zu dem Baufeld wenn das Strömungsmodifikationselement in der Prozesskammerwandung angebracht ist, voneinander beabstandet sind.
Damit ist es beispielsweise möglich, für jeden der zwei oben beschriebenen in die Prozesskammer eingeleiteten Leitströmungen ein Leitelement bereitzustellen, was zu einer Verbesserung der Strömungseigenschaften der Leitströmungen führen kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts umfasst folgende Schritte:

- Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht,
- selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere durch Zuführen von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mittels einer Verfestigungsvorrichtung mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, und
- Wiederholen des schichtweisen Aufbringens und selektiven Verfestigens , bis das Objekt fertiggestellt ist,

Damit ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf die Herstellvorrichtung genannten Vorteile auch in einem additiven Herstellverfahren zu erzielen.
Ein erfindungsgemäßes Strömungsmodifikationselement dient zum Einleiten eines Gasstroms in eine Prozesskammer einer Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere in eine Prozesskammer einer oben beschriebenen Herstellvorrichtung. Das Strömungsmodifikationselement weist einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite auf und eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist.
Vorzugsweise umfasst das Strömungsmodifikationselement Mittel zum vorzugsweise lösbaren Befestigen des Strömungsmodifikationselements an der Herstellvorrichtung bzw. an deren Prozesskammer, z. B. eine Verschraubung, Klemmung, magnetische Befestigung, o.ä. Damit ist es beispielsweise möglich, ein derartiges Strömungsmodifikationselement als einen Aus- und/oder Nachrüstsatz bereitzustellen, mit der insbesondere eine Herstellvorrichtung auf einfache Art und Weise aus- oder nachgerüstet werden kann. Somit ist das Strömungsmodifikationselement vorzugsweise aus der Prozesskammerwandung lösbar und/oder wechselbar ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Beströmungsvorrichtung dient für eine Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial und umfasst das oben beschriebene Strömungsmodifikationselement. Damit ist es beispielsweise möglich, eine Beströmungsvorrichtung zum Aus- oder Nachrüsten einer Herstellvorrichtung bereitzustellen.
Eine erfindungsgemäße Verwendung eines Strömungsmodifikationselements dient zum Einleiten eines Gasstroms in einer Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere in einer oben beschriebenen Herstellvorrichtung, wobei das Strömungsmodifikationselement einen Körper mit einer Gaseintrittsseite und einer Gasaustrittsseite aufweist und eine Mehrzahl von Kanälen, die den Körper von der Gaseintrittsseite zu der Gasaustrittsseite durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung auf der Gaseintrittsseite und eine Austrittsöffnung auf der Gasaustrittsseite aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt kürzer als eine Gesamtlänge des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die oben in Bezug auf die Herstellvorrichtung beschriebenen Wirkungen auch bei der Verwendung eines Strömungsmodifikationselements zu erzielen.
Ein erfindungsgemäßes Beströmungsverfahren dient zum Erzeugen eines Gasstroms in einer Prozesskammer einer Herstellvorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere einer oben beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung, wobei das Beströmungsverfahren zumindest einen Schritt des Erzeugens eines Gasstroms mittels einer Gaszufuhreinrichtung umfasst, sowie einen Schritt des Einleitens des Gasstroms in die Prozesskammer durch ein oben beschriebenes Strömungsmodifikationselement.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen.

1 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte Ansicht einer Vorrichtung zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist eine schematische, teilweise im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Strömungsmodifikationselements gemäß einer ersten Ausführungsform zur Verwendung in der in 1 gezeigten Herstellvorrichtung,
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Kanals des in 2 gezeigten Strömungsmodifikationselements,
4 ist eine schematische Schnittansicht des in 2 gezeigten Strömungsmodifikationselements gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Ebene parallel zur x-y-Ebene und
5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der in 4 gezeigten Schnittansicht des Strömungsmodifikationselements.

Im Folgenden werden mit Bezug auf 1 bis 5 zwei unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1. Zum Aufbauen eines Objekts 2 enthält sie eine Prozesskammer 3 mit einer Kammerwandung 4.
Unterhalb der Prozesskammer 3 ist ein nach oben offener Behälter 5, welcher auch als Baubehälter bezeichnet wird, mit einer Behälterwandung 6 angeordnet. In dem Behälter 5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger 7 angeordnet, an dem eine Grundplatte 8 angebracht ist, die den Behälter 5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte 8 kann eine getrennt von dem Träger 7 gebildete Platte sein, die an dem Träger 7 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger 7 gebildet sein. Je nach verwendetem Aufbaumaterial und Prozess kann auf der Grundplatte 8 noch eine Bauplattform 9 als Bauunterlage angebracht sein, auf der das Objekt 2 aufgebaut wird. Das Objekt 2 kann aber auch auf der Grundplatte 8 selber aufgebaut werden, die dann als Bauunterlage dient.
Durch die obere Öffnung des Behälters 5 ist eine Arbeitsebene 16 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene 16, der zum Aufbau des Objekts 2 verwendet werden kann, als Baufeld 10 bezeichnet wird. Das Baufeld 10 ist also zwischen dem Behälter 5 und der Prozesskammer 3 vorgesehen. Die Arbeitsebene 16 kann zugleich die zu dem Innenraum der Prozesskammer 3 weisende, d. h. obere, Oberfläche einer Arbeitsplatte sein, welche in 1 nicht gezeigt ist. Die nicht gezeigte Arbeitsplatte bildet zugleich den Boden der Prozesskammer 3 und umgibt den Behälter 5 vorzugsweise allseitig. Die Arbeitsebene 16 ist um eine Prozesskammerhöhe von einer Decke 4a der Prozesskammerwandung 4 beabstandet. Die Prozesskammerhöhe wird auch als maximale lichte Höhe T der Prozesskammer bezeichnet, da ein Deckenbereich der Prozesskammer ein uneinheitliches Höhenniveau, z. B. mit Dachschrägen, aufweisen kann.
In 1 ist das in dem Behälter 5 auf der Bauplattform 9 zu bildende Objekt 2 unterhalb der Arbeitsebene 16 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial 11.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält weiter einen Vorratsbehälter 12 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial 13 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter 14 zum Aufbringen des Aufbaumaterials 13 innerhalb des Baufelds 10. Vorzugsweise erstreckt sich der Beschichter 14 quer zu seiner Bewegungsrichtung über den ganzen zu beschichtenden Bereich.
Optional kann in der Prozesskammer 3 eine in 1 nicht gezeigte Strahlungsheizung angeordnet sein, die zum Beheizen des aufgebrachten Aufbaumaterials 13 dient. Als Strahlungsheizung kann beispielsweise ein Infrarotstrahler vorgesehen sein.
Die Lasersintervorrichtung 1 enthält ferner eine Verfestigungseinrichtung in Form einer Belichtungsvorrichtung 20 mit einem Laser 21, der ein Energiestrahlbündel in Form eines Laserstrahls 22 erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung 23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung 24 über ein Einkoppelfenster 15, das in einer Decke 4a der Kammerwandung 4 der Prozesskammer 3 angebracht ist, auf die Arbeitsebene 16 fokussiert wird. Der Laserstrahl trifft dabei in einem Strahlungseinwirkbereich bzw. einem Auftreffpunkt oder Auftreffbereich (in 1 nicht gezeigt) in der Arbeitsebene 16 auf.
Weiter enthält die Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 einen Gaszufuhrkanal 31 mit einem Gaseinleitelement 32 und einen Gasabfuhrkanal 35 mit einem Gasauslass 34 zum Erzeugen eines Gasstroms 33. Das Gaseinleitelement wird weiter unten mit Bezug auf 2, 3, 4 und 5 näher beschrieben. Der Gasauslass 34 kann aus einer oder mehreren Öffnung(en) in der Prozesskammerwandung 4 gebildet sein. Alternativ kann auch ein weiteres Strömungsmodifikationselement an dem Gasauslass 34 vorgesehen sein. Der Gaszufuhrkanal 31 und der Gasabfuhrkanal 35 stehen mit einer nicht gezeigten Gasfördervorrichtung in Verbindung.
Das Gaseinleitelement 32 und der Gasauslass 34 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Baufelds 10 und in einem baufeldnahen Höhenbereich der Prozesskammer 3 angeordnet. Bei einer lichten Höhe T der Prozesskammer, d. h. einem maximalen Abstand T der Arbeitsebene 16 bzw. des Baufelds 10 von der Prozesskammerdecke 4a, können das Gaseinleitelement 32 und der Gasauslass 34 beispielsweise innerhalb eines an das Baufeld 10 angrenzenden Bereichs der Prozesskammer 3, der eine Höhenerstreckung von 10% der lichten Höhe T umfasst, angeordnet sein.
Dabei müssen das Gaseinleitelement 32 und der Gasauslass 34 nicht an die Arbeitsebene 16 grenzen, sondern können auch von dieser beabstandet sein. Das Gaseinleitelement 32 und/oder der Gasauslass 34 können/kann beispielsweise 2 cm oder 5 cm oberhalb der Arbeitsebene 16 vorgesehen sein.
Als Gas wird vorzugsweise ein Schutzgas verwendet, das mit dem Aufbaumaterial im Wesentlichen keine chemische Reaktion eingeht (Inertgas), je nach verwendetem Aufbaumaterial beispielsweise Stickstoff oder Argon.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung 1 eine Steuereinheit 29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung 1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Alternativ kann die Steuereinheit auch teilweise oder ganz außerhalb der Vorrichtung angebracht sein. Die Steuereinheit kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann.
Als Aufbaumaterial können verschiedene Arten von Pulver verwendet werden, insbesondere Metallpulver, Kunststoffpulver, Keramikpulver, Sand, gefüllte oder gemischte Pulver. Anstelle von Pulver können auch andere geeignete Materialien als Aufbaumaterial verwendet werden. Vorzugsweise ist das Aufbaumaterial ein Metallpulver. Bei der Verwendung eines Metallpulvers als Aufbaumaterial ist das Auftreten von Verunreinigungen wie z. B. Spratzer, Rauche, Schmauche, Dämpfe und/oder Gase besonders groß, so dass durch die Erfindung besonders gute Verbesserungen des Herstellungsprozesses bzw. der Qualität und/oder Maßhaltigkeit des herzustellenden Objekts erzielbar sind.
2 zeigt ein Strömungsmodifikationselement 40 zur Verwendung als Gaseinleitelement 32 in der in 1 gezeigten Prozesskammer 3. Vorzugsweise ist das Strömungsmodifikationselement 40 als einstückiges Bauteil ausgebildet. Es kann z. B. mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines additiven Fertigungsverfahrens aus einem beliebigen Material, z. B. Metall oder Kunststoff, hergestellt werden.
Das Strömungsmodifikationselement 40 ist aus einem Körper aus einem festen Material gebildet, in 2 ein quaderförmiger Körper, der sich im Betrieb der Gaszufuhreinrichtung bündig in den zumindest im Endbereich quaderförmigen Gaszufuhrkanal 31 der Vorrichtung 1 (s. 1) einpasst. Der Körper wird von einer Gaseintrittsseite 41 zu einer Gasaustrittsseite 42 hin von einer Mehrzahl von Kanälen 43, ersten Leitkanälen 51 und zweiten Leitkanälen 52 durchdrungen. Eine bounding box um die Hohlräume der Kanäle 43 und der Leitkanäle 51, 52 entspricht einem Quader mit geringfügigen kleineren Abmessungen als der Körper. An der Gaseintrittsseite 41 weisen die Kanäle 43 und die ersten und zweiten Leitkanäle 51, 52 jeweils eine Eintrittsöffnung 48 (in 1 durch das Strömungsmodifikationselement 40 verdeckt) auf und an der Gasaustrittsseite 42 jeweils eine Austrittsöffnung 49. Die Kanäle 43, die ersten Leitkanäle 51 und die zweiten Leitkanäle 52 sind allseitig durch Wände begrenzt (außer an der Eintrittsöffnung 48 und der Austrittsöffnung 49) und bilden dabei die einzige gasdurchlässige Verbindung von der Gaseintrittsseite 41 durch das Strömungsmodifikationselement 40 hindurch zur Gasaustrittsseite 42. Die Kanäle 43, die ersten Leitkanäle 51 und die zweiten Leitkanäle 52 erstrecken sich in eine Längsrichtung über eine Länge L, wobei die Längsrichtung der Durchströmungsrichtung des Gases durch das Strömungsmodifikationselement von der Gaseintrittsseite 41 zur Gasaustrittsseite 42 entspricht. Vorzugsweise ist die Längsrichtung aller Kanäle 43, weiter bevorzugt auch zumindest abschnittsweise die der ersten und zweiten Leitkanäle 51, 52, identisch, d. h. die Kanäle sind zueinander parallel in dem Strömungsmodifikationselement 40 angeordnet.
Seitlich, d. h. quer zur Durchströmungsrichtung des Gases durch das Strömungsmodifikationselement von der Gaseintrittsseite 41 zur Gasaustrittsseite 42, erstreckt sich das Strömungsmodifikationselement 40 von einem ersten Ende 45 zu einem zweiten Ende 46 (nur in 2 gezeigt). Vorzugsweise sind an den Enden 45, 46 des Strömungsmodifikationselements Befestigungselemente 47 vorgesehen zum Befestigen des Strömungsmodifikationselements in der Prozesskammer, beispielsweise an der Prozesskammerwandung 4. Die Kanäle 43 sind dabei über eine Breite B entlang des Strömungsmodifikationselements 40 zwischen den Enden 45 und 46 des Strömungsmodifikationselements vorgesehen, d. h. ein maximaler Abstand zwischen einem dem ersten Ende 45 nächstliegenden Kanal und einem dem zweiten Ende 46 nächstliegenden Kanal entspricht der Breite B. Vorzugsweise ist die Breite B des Strömungsmodifikationselements an eine Erstreckung des Baufelds 10 in einer Richtung parallel zur Breite B angepasst, beispielsweise an eine Abmessung einer angrenzenden Baufeldseite eines rechteckigen Baufelds oder eins Durchmessers eines kreisförmigen Baufelds. Dabei ist die Breite B vorzugsweise größer als die entsprechende Erstreckung des Baufelds, insbesondere mindestens 110%, weiter bevorzugt mindestens 120% dieser Erstreckung.
Senkrecht zur Länge L der Kanäle 43 und senkrecht zur Breite B des Strömungsmodifikationselements 40 erstreckt sich das Strömungsmodifikationselement über eine Höhe bzw. sind die Kanäle 43 und vorzugsweise auch die Leitkanäle 51, 52 über einen Höhenabschnitt angeordnet, welche(r) in 2 aufgrund der geschnittenen Darstellung nicht vollständig gezeigt ist. Diese Höhe bzw. dieser Höhenabschnitt ist vorzugsweise im Wesentlichen identisch mit der Höhe des unteren bzw. baufeldnahen Höhenbereichs, in dem das Gaseinleitelement 32 und der Gasauslass 34 (s. 1) vorgesehen sind, also beispielsweise 10% der lichten Höhe T.
Die Achsen eines kartesisches Koordinatensystem sind dadurch folgendermaßen definiert:

- die x-Achse ist parallel zur Längsrichtung der Kanäle 43,
- die y-Achse ist parallel zur Breite B des Strömungsmodifikationselements und
- die z-Achse ist parallel zur Höhe des Strömungsmodifikationselements.

Die Kanäle 43 sind vorzugsweise, wie in 2 gezeigt, in Bezug auf die y-z-Ebene neben- und untereinander regelmäßig voneinander beabstandet in Zeilen und Spalten, d. h. in Form einer dreidimensionalen Matrix, in dem Strömungsmodifikationselement 40 vorgesehen. Dabei sind die Zeilen von Kanälen 43 im eingebauten Zustand des Strömungsmodifikationselements 40 vorzugsweise parallel zum Baufeld 10 angeordnet. Die Matrix kann beispielsweise fünf Zeilen und 21 Spalten von Kanälen 43 umfassen. Die Leitkanäle 51, 52 sind jeweils in y-Richtung seitlich neben den Kanälen 43 angeordnet, also auf einer horizontal benachbarten Seite der Kanäle 43, d. h. die ersten Leitkanäle 51 sind zwischen dem ersten Ende 45 des Strömungsmodifikationselements 40 und den Kanälen 43 vorgesehen und die zweiten Leitkanäle 52 zwischen dem zweiten Ende 46 des Strömungsmodifikationselements 40 und den Kanälen 43. Die ersten Leitkanäle 51 sind dabei untereinander in einer ersten Spalte von Leitkanälen angeordnet und die zweiten Leitkanäle 52 in einer zweiten Spalte von Leitkanälen. Beispielsweise umfassen die erste und die zweite Spalte von Leitkanälen jeweils fünf Leitkanäle 51 bzw. 52. Vorzugsweise ist die Anzahl der Leitkanäle in einer Spalte identisch zu der Anzahl der Zeilen von Kanälen 43. Alternativ können an zumindest einem Ende des Strömungsmodifikationselements 40 auch mehrere, beispielsweise zwei, Spalten von Leitkanälen bereitgestellt sein.
Im Betrieb der Gasfördervorrichtung (s. u.) wird durch die Kanäle 43 eine Hauptströmung (bzw. werden Teilströme der Hauptströmung) in die Prozesskammer 3 eingeleitet, weshalb die Kanäle 43 auch als Hauptkanäle oder Haupteinlasskanäle bezeichnet werden, und durch die ersten und zweiten Leitkanäle 51, 52 wird jeweils eine Leitströmung (bzw. werden Teilströme der Leitströmung) in die Prozesskammer 3 eingeleitet.
Die Kanäle 43 und die Leitkanäle 51, 52 weisen in der y-z-Ebene, d.h. senkrecht zu ihrer Längsrichtung, jeweils eine Kanalquerschnittsfläche 44 auf, welche bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eine quadratische oder rechteckige Form hat. Eine maximale Abmessung der Kanalquerschnittsfläche 44, beispielsweise ein Durchmesser oder eine Diagonale der Kanalquerschnittsfläche 44, ist vorzugsweise kleiner als die Länge L der Kanäle. Erfindungsgemäß variieren die Kanalquerschnittsflächen 44 der Kanäle 43 und der Leitkanäle 51, 52 zumindest abschnittsweise über die Länge L der Kanäle, d. h. die Kanalquerschnittsfläche eines Kanals 43 bzw. eines Leitkanals 51, 52 ist zumindest abschnittsweise über die Länge L des Kanals bzw. des Leitkanals nicht konstant. Diese Querschnittsflächenveränderung wird im Folgenden mit Bezug auf 3 und 4 zuerst für die Kanäle 43 und anschließend für die Leitkanäle 51, 52 näher beschrieben. 3 zeigt dabei einen Schnitt durch einen Kanal 43 entlang der x-Richtung, d.h. entlang der Längsrichtung des Kanals. Die Schnittebene kann dabei parallel zur x-y-Ebene sein oder parallel zur x-z-Ebene. 4 zeigt einen Schnitt durch das gesamte Strömungsmodifikationselement 40 parallel zur x-y-Ebene, wobei die Wandungen zwischen den Kanälen 43 bzw. den Leitkanälen 51, 52 mit Schrägstrichen durch Schraffur gekennzeichnet sind.
Wie aus 3 und 4 ersichtlich, ist der Kanal 43 in Längsrichtung in drei Längenabschnitte unterteilt: einen ersten Längenabschnitt 152, der an die Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 angrenzt, einen dritten Längenabschnitt 151, der an die Gaseintrittsseite 41 des Strömungsmodifikationselements 40 angrenzt, und einen zwischen dem ersten Längenabschnitt 152 und dem dritten Längenabschnitt 151 liegenden zweiten Längenabschnitt 153. Der erste Längenabschnitt 152 erstreckt sich über eine erste Länge c entlang der Längsrichtung des Kanals 43, der zweite Längenabschnitt 153 erstreckt sich über eine zweite Länge b entlang der Längsrichtung des Kanals 43 und der dritte Längenabschnitt 151 erstreckt sich über eine dritte Länge a entlang der Längsrichtung des Kanals 43. Die drei Längenabschnitte sind dabei lückenlos aneinander gereiht, sodass die Summe der drei Längen a, b, c der Gesamtlänge L des Kanals 43 entspricht: L = a + b + c, d. h. jeder der drei Längenabschnitte 152, 153, 151 ist jeweils kürzer als die Gesamtlänge L des Kanals 43. In 3 betragen die erste Länge c, die zweite Länge b und die dritte Länge a jeweils ein Drittel der Gesamtlänge L des Kanals 43. Vorzugsweise ist die erste Länge c des ersten Längenabschnitts 152 zumindest größer als die dritte Länge a des dritten Längenabschnitts 151, wie in 4 gezeigt; beispielsweise kann die erste Länge c 56% der Gesamtlänge L betragen, die zweite Länge b kann 25% der Gesamtlänge L und die dritte Länge a kann 19% der Gesamtlänge L betragen. Die unterschiedlichen Längenabmessungen der drei Längenabschnitte 151, 152, 153 und damit korrespondierend unterschiedlichen Neigungswinkel der Wandungen im ersten und dritten Längenabschnitt bilden einen Unterschied zwischen den beiden in 2/3 und 4/5 gezeigten Ausführungsformen des Strömungsmodifikationselements 40.
Senkrecht zur Längsrichtung weist der Kanal 43 einen Durchmesser d auf. Der Durchmesser d nimmt in dem dritten Längenabschnitt 151 von einem eintrittsseitigen Durchmesser dein an der Gaseintrittsseite 41 in Längsrichtung ab, d.h. verringert sich, bis hin zu einem minimalen Durchmesser d_min , welcher am Ende des dritten Längenabschnitts 151, d.h. am Übergang zu dem zweiten Längenabschnitt 153, erreicht wird. In dem an den dritten Längenabschnitt 151 angrenzenden zweiten Längenabschnitt 153 hat der Durchmesser d des Kanals 43 einen im Wesentlichen konstanten Wert von d_min , welcher dem minimalen Durchmesser des dritten Längenabschnitts 151 am Übergang zwischen den beiden Längenabschnitten entspricht. In dem an den zweiten Längenabschnitt 153 angrenzenden ersten Längenabschnitt 152 nimmt der Durchmesser d in Längsrichtung zur Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements hin wieder zu, d. h. er vergrößert sich von dem minimalen Durchmesser d_min am Übergang zwischen dem zweiten und dem ersten Längenabschnitt auf einen austrittsseitigen Durchmesser d_aus an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40. Mit anderen Worten nimmt der Durchmesser d des Kanals 43 von der Gasaustrittsseite 42 in Längsrichtung ab, d. h. verringert sich, und erreicht an dem Übergang zum dritten Längenabschnitt 153 den minimalen Durchmesser d_min .
Der minimale Durchmesser dmin kann beispielsweise 5 mm (d. h. bei einer quadratischen Kanalquerschnittsfläche eine minimale Kanalquerschnittsfläche von 25 mm²) sein und der maximale Durchmesser dmax, welcher an der Gaseintrittsseite 41 und/oder der Gasaustrittsseite 42 erreicht wird, d. h. d_max = d_ein und/oder d_max = d_aus, kann beispielsweise 15 mm sein (d. h. bei einer quadratischen Kanalquerschnittsfläche eine maximale Kanalquerschnittsfläche von 225 mm²). Vorzugsweise ist die zweite Länge b des zweiten Längenabschnitts 153 ein Vielfaches, beispielsweise das Zehnfache, des Durchmessers d im zweiten Längenabschnitt 153, d. h. des minimalen Durchmessers dmin.
Die Verringerung des Durchmessers d in dem dritten Längenabschnitt 151 und die Verringerung des Durchmessers d in dem ersten Längenabschnitt 152 ist vorzugsweise gemäß einer monotonen, insbesondere streng monotonen, und glatten Funktion ausgebildet und besonders bevorzugt gemäß einer linearen Funktion, wie in 3 gezeigt. Der Neigungswinkel γ der Wandung des Kanals 43 in dem ersten Längenabschnitt 152 relativ zur Längsrichtung kann beispielsweise 4° betragen, d. h. der erste Längenabschnitt 152 weist einen Öffnungswinkel von 8° auf.
Wie oben erwähnt kann es sich bei dem Durchmesser d des Kanals 43 sowohl um den Durchmesser in y-Richtung handeln, als auch um den Durchmesser in z-Richtung. Der Durchmesser d kann sich auch sowohl in y- als auch in z-Richtung entlang der Länge L des Kanals 43 verringern bzw. vergrößern. Durch die Änderung des Durchmessers d entlang der Längsrichtung des Kanals 43 ändert sich auch die Kanalquerschnittsfläche 44 des Kanals in Längsrichtung des Kanals. Insbesondere verringert sich die Kanalquerschnittsfläche 44 über den dritten Längenabschnitt 151 ausgehend von der Gaseintrittsseite 41 entlang der Längsrichtung (in Richtung der Gasaustrittsseite 42) und über den ersten Längenabschnitt 152 ausgehend von der Gasaustrittsseite 42 entlang der Längsrichtung (in Richtung der Gaseintrittsseite 41). Mit anderen Worten vergrößert sich die Kanalquerschnittsfläche über den ersten Längenabschnitt 152 entlang der Längsrichtung in Richtung der Gasaustrittsseite 42. Das durch den Kanal 43 strömende Gas passiert also zuerst den sich verjüngenden dritten Längenabschnitt 151, d. h. einen als Konfusor bzw. Düse ausgebildeten Abschnitt, dann den zweiten Längenabschnitt 153 mit Wesentlichen gleichbleibender Kanalquerschnittsfläche und anschließend den sich aufweitenden ersten Längenabschnitt 152, d. h. einen als Diffusor ausgebildeten Abschnitt. Vorzugsweise entspricht dabei die Kanalquerschnittsfläche 44 der Eintrittsöffnung 48 im Wesentlichen der Kanalquerschnittsfläche 44 der Austrittsöffnung 49.
Die Leitkanäle 51, 52 werden im Folgenden mit Bezug auf 4 beschrieben. Die Leitkanalquerschnittsfläche der Leitkanäle 51, 52, welche in 4 ebenfalls durch den Durchmesser d' der Leitkanäle 51, 52 in y-Richtung dargestellt ist, variiert zumindest abschnittsweise entlang der Längsrichtung der Leitkanäle 51, 52. Die Leitkanäle 51, 52 weisen jeweils, analog zu dem dritten Längenabschnitt 151 der Kanäle 43, einen ersten, an die Gaseintrittsseite 41 anschließenden Leitkanallängenabschnitt 53 auf, welcher als eine Düse ausgebildet ist, d. h. einen ersten Leitkanallängenabschnitt 53, in dem sich die Leitkanalquerschnittsflächen der Leitkanäle 51, 52 ausgehend von der Gaseintrittsseite 41 in Richtung der Gasaustrittsseite 42 verringern. Weiter weisen die Leitkanäle 51, 52 jeweils einen zweiten, an die Gasaustrittsseite 42 anschließenden Leitkanallängenabschnitt 54 auf, der eine im Wesentlichen konstante Leitkanalquerschnittsfläche aufweist und vorzugsweise der minimalen Kanalquerschnittsfläche des ersten Leitkanallängenabschnitts 53 an dem Übergang zwischen erstem und zweitem Leitkanallängenabschnitt entspricht. Der zweite Leitkanallängenabschnitt 54 verläuft dabei in einem Winkel α bzw. α' von z. B. 150° zu dem ersten Leitkanallängenabschnitt 53, so dass eine (lokale) Erstreckungsrichtung der Leitkanäle 51, 52 über die Länge L der Leitkanäle 51, 52 hinweg variiert. Somit verlaufen die zweiten Leitkanallängenabschnitte 54 in einem Winkel β bzw. β' zu einer Senkrechten S auf die Kanalquerschnittsfläche der Austrittsöffnung 49 der Leitkanäle 51, 52.
Vorzugsweise umfassen die Leitkanäle 51, 52 keine weiteren Leitkanallängenabschnitte, d. h. sie sind vollständig durch den ersten und den zweiten Leitkanallängenabschnitt gebildet. Bei dem in 3 und 4 gezeigten Strömungsmodifikationselement 40 unterscheiden sich die ersten Leitkanäle 51 und die zweiten Leitkanäle 52 in den Winkeln α und α', die die zweiten Leitkanallängenabschnitte 54 in Bezug auf den jeweils ersten Leitkanallängenabschnitt 53 bilden, bzw. in den Winkeln β und β'. Alternativ können die Winkel α und α' (also auch die Winkel β bzw. β') und somit die ersten und zweiten Leitkanäle auch identisch sein, so dass das Strömungsmodifikationselement 40 symmetrisch ausgebildet ist.
Die Leitkanäle 51, 52 sind somit ohne den ersten (diffusorförmigen, d. h. divergenten) Längenabschnitt der Kanäle 43 ausgebildet, in dem sich die Leitkanalquerschnittsfläche zu der Gasaustrittsseite 42 hin vergrößert. Somit weisen die Leitkanäle 51, 52 an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 eine beispielsweise um den Faktor 2 oder 3 kleinere (Leit-)Kanalquerschnittsfläche auf als die Kanäle 43. Dadurch hat das aus den Leitkanälen 51, 52 in die Prozesskammer 3 hinein ausströmende Prozessgas im Betrieb der Gasfördervorrichtung und bei in der Vorrichtung 1 angebrachtem Strömungsmodifikationselement 40 eine größere Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich mit der Strömungsgeschwindigkeit des aus den Kanälen 43 ausströmenden Gases.
Vorzugsweise ist die Leitkanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung 48 der Leitkanäle 51, 52, d. h. die Leitkanalquerschnittsfläche der Leitkanäle 51, 52 an der Gaseintrittsseite 41, größer als die Kanalquerschnittsfläche der Eintrittsöffnung 48 der Kanäle 43, d. h. größer als die Kanalquerschnittsfläche der Kanäle 43 an der Gaseintrittsseite 41. Dadurch wird ein größerer Volumenstrom pro durchströmtem Volumenelement der im Betrieb durch die Leitkanäle 51, 52 in die Prozesskammer 3 eingeführten Leitströmung erzielt.
Dadurch, dass die zweiten Leitkanallängenabschnitte 54 in einem Winkel β bzw. β' zu der Senkrechten S auf die Leitkanalquerschnittsfläche 44 der Austrittsöffnung 49 der Leitkanäle 51, 52 verlaufen, tritt im Betrieb der Gasfördervorrichtung und bei in der Vorrichtung 1 angebrachtem Strömungsmodifikationselement 40 das Gas in einem Winkel β bzw. β' zu der Senkrechten S aus den Leitkanälen 51, 52 aus. Aus den Kanälen 43 hingegen tritt das Gas im Betrieb und bei eingebautem Strömungsmodifikationselement 40 hingegen im Wesentlichen senkrecht zur Kanalquerschnittsfläche 44 der Austrittsöffnung 49 der Kanäle 43 und der Leitkanäle 51, 52, d. h. parallel zur Senkrechten S, aus dem Strömungsmodifikationselement 40 aus.
Weiter umfasst das in 2, 4 und 5 gezeigte Strömungsmodifikationselement 40 ein erstes Leitelement 61 und ein zweites Leitelement 62 an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselement 40. Das erste Leitelement 61 und das zweite Leitelement 62 können beispielsweise als dünne Bleche ausgebildet sein. Die Leitelemente 61, 62 sind dabei vorzugsweise spaltfrei an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 vorgesehen. Jedes der Leitelemente 61, 62 weist eine Höhenerstreckung in z-Richtung auf, die vorzugsweise der Höhe bzw. Höhenerstreckung einer Spalte von Kanälen 43 und/oder Leitkanälen 51, 52 entspricht, und erstreckt sich in eine zweite Richtung senkrecht zu seiner Höhenerstreckung um eine Länge f zwischen einem ersten, an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 vorgesehenen Ende 63 und einem zweiten Ende 64 (nur in 5 für das erste Leitelement 61 gezeigt). In die dritte Richtung senkrecht zur zweiten Richtung und zur Höhenerstreckung weisen die Leitelemente 61, 62 eine Dicke auf, die jeweils um ein Mehrfaches kleiner ist als die Höhenerstreckung und die Länge f. Somit sind die Leitelemente 61, 62 im Wesentlichen aus jeweils zwei ebenen, d. h. planen, und paarweise zueinander parallelen Leitflächen 65, 66 gebildet. In 2 sind die Leitflächen 66 jeweils durch die Leitelemente 61, 62 verdeckt.
Das erste Leitelement 61 ist horizontal, d. h. in y-Richtung, seitlich bzw. neben der ersten Spalte von der Leitkanälen 51 auf der den Kanälen 43 abgewandten Seite der ersten Spalte von Leitkanälen 51 angeordnet und das zweite Leitelement 62 ist horizontal, d. h. in y-Richtung, seitlich bzw. neben der zweiten Spalte von der Leitkanälen 62 auf der den Kanälen 43 abgewandten Seite der zweiten Spalte von Leitkanälen 52 angeordnet.
Die Leitflächen 65 sind so an den Leitelementen 61, 62 vorgesehen, dass sie bei in der Vorrichtung 1 angebrachtem Strömungsmodifikationselement 40 und im Betrieb der (nicht gezeigten) Gasfördervorrichtung durch die Leitkanäle 51, 52 in die Prozesskammer einströmenden Leitströmungen (nicht gezeigt) zugewandt sind. Die Leitflächen 66 sind entsprechend jeweils auf der der Leitströmung abgewandten Seite des Leitelements 61, 62 vorgesehen.
Die Leitelemente 61, 62 sind dabei vorzugsweise so an dem Strömungsmodifikationselement 40 angeordnet, dass sie sich von ihrem ersten Ende 63 (s. 5) zu ihrem zweiten Ende 64 (s. 5) jeweils parallel zu einer Richtung erstrecken, in der Gas im Betrieb der Gasfördervorrichtung und bei in der Vorrichtung 1 eingebautem Strömungsmodifikationselement 40 durch die jeweiligen Leitkanäle 51, 52 in die Prozesskammer einströmt. Mit anderen Worten sind die Leitelemente 61, 62 bzw. deren Leitflächen 65, 66 vorzugsweise parallel zu der jeweiligen Erstreckungsrichtung des zweiten Leitkanallängenabschnitts 54 vorgesehen. Dies bedeutet, dass das erste Leitelement 61 bzw. dessen Leitflächen 65, 66 vorzugsweise in dem Winkel β zur Senkrechten S angeordnet ist bzw. sind und das zweite Leitelement 62 bzw. dessen Leitflächen 65, 66 in dem Winkel β' zur Senkrechten S angeordnet ist bzw. sind.
Im Betrieb der oben beschriebenen Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung 1 wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger 7 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht. Der Beschichter 14 fährt zunächst zu dem Vorratsbehälter 12 und nimmt aus ihm eine zum Aufbringen einer Schicht ausreichende Menge des Aufbaumaterials 13 auf. Dann fährt er über das Baufeld 10, bringt dort pulverförmiges Aufbaumaterials 13 auf die Bauunterlage oder eine bereits vorher vorhandene Pulverschicht auf und zieht es zu einer Pulverschicht aus. Das Aufbringen erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts 2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld 10, also den durch die Behälterwandung 6 begrenzten Bereich. Optional wird das pulverförmige Aufbaumaterial 13 mittels einer Strahlungsheizung (nicht gezeigt) auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt.
Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 von dem Laserstrahl 22 abgetastet, sodass das pulverförmige Aufbaumaterial 13 an den Stellen verfestigt wird, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts 2 entsprechen. Dabei werden die Pulverkörner an diesen Stellen mittels der durch die Strahlung eingebrachte Energie teilweise oder vollständig aufgeschmolzen, so dass sie nach einer Abkühlung miteinander verbunden als Festkörper vorliegen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt 2 fertiggestellt ist und der Prozesskammer 3 entnommen werden kann.
Während des schichtweisen Aufbauens des Objekts 2 wird zumindest zeitweise durch die nicht gezeigte Gasfördervorrichtung ein Gas durch den Gaszufuhrkanal 31 und das Strömungsmodifikationselement 32 bzw. 40 in die Prozesskammer 3 eingeleitet und durch den Gasauslass 34 und den Gasabfuhrkanal 35 wieder aus der Prozesskammer 3 hinaus geleitet bzw. aus dieser abgesaugt, so dass ein Gasstrom 33 in der Prozesskammer 3 erzeugt wird, der oberhalb der Arbeitsebene 16 zumindest entlang des Baufelds 10 strömt. Das Gas strömt dabei in Form von Gaseinlassteilströmen aus dem Strömungsmodifikationselement 40 in die Prozesskammer 3, wobei an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 aus jedem Kanal 43 und aus jedem Leitkanal 51, 52 ein Gaseinlassteilstrom ausströmt. Die aus den Kanälen 43 austretenden Gaseinlassteilströme bilden dabei eine Hauptströmung und die aus den Leitkanälen 51, 52 ausströmenden Gaseinlassteilströme bilden eine Leitströmung (in den Figuren nicht gezeigt).
Der durch die Matrix von Kanälen 43 geformte Hauptgasstrom weist zumindest unmittelbar nach seinem Austreten in die Prozesskammer 3 einen entsprechend im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
Das Strömungsmodifikationselement 32 bzw. 40 ist dabei vorzugsweise so an bzw. außerhalb der Prozesskammer 3 angeordnet, dass seine Gasaustrittsseite 42 im Wesentlichen bündig mit der Innenseite der Seitenwand der Prozesskammer 3 vorgesehen ist (in den Figuren nicht gezeigt). Das Strömungsmodifikationselement kann z. B. in einer Aussparung der Wandung der Prozesskammer angeordnet sein. Ein minimal umgebendes Rechteck um die Austrittsöffnungen 49 des Strömungsmodifikationselements 40 erstreckt sich vorzugsweise im Wesentlichen ausgehend von einer Ebene des Baufelds 10 nach oben hin.
Für die Hauptströmung gilt dabei Folgendes: Durch die oben in Bezug auf 3 und 4 beschriebene Kanalquerschnittsflächenverengung in dem dritten Längenabschnitt 151 der Kanäle 43 des Strömungsmodifikationselements 40 erhöht sich der Druck in der Strömung stromaufwärts des Strömungsmodifikationselements 40, was zu einer Homogenisierung der Strömung bzw. einer gleichmäßigeren Verteilung der Strömungseigenschaften führt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstroms 33 aus dem Strömungsmodifikationselement 32, 40 ist abhängig von der Größe der Kanalquerschnittsflächen 44 der Kanäle 43, unter Anderem an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40: je größer die Kanalquerschnittsfläche ist, desto kleiner kann bei gegebenem Massenstrom eine mittlere Austrittsgeschwindigkeit des aus diesem Kanal austretenden Gaseinlassteilstroms sein. Je kleiner die Kanalquerschnittsfläche ist, desto größer ist die Austrittsgeschwindigkeit des aus diesem Kanal austretenden Gaseinlassteilstroms. Eine Gesamtdruckdifferenz in dem Gas zwischen der Gaseintrittsseite 41 und der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements ist somit unter Anderem abhängig von der Druckerhöhung in dem dritten Längenabschnitt 151 und dem Druckabfall in dem ersten Längenabschnitt 152.
Die Leitströmung ist dabei eine Strömung, die seitlich der Hauptströmung in der Prozesskammer erzeugt wird, insbesondere über einem Bodenbereich der Prozesskammer außerhalb des Baufelds bzw. neben dem Baufeld. Die Leitströmung dient somit einer Abschirmung und/oder dem Führen der Hauptströmung, wodurch beispielsweise die Strömungseigenschaften der Hauptströmung verbessert werden können. Vorzugsweise flankieren die Leitströmungen die Hauptströmung zumindest abschnittsweise.
Die Leitströmung(en) tritt bzw. treten dabei in dem Winkel β bzw. β' zur Hauptströmungsrichtung der Hauptströmung bzw. zur Senkrechten S aus dem Strömungsmodifikationselement 40 aus. Der Winkel β bzw. β' ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass er eine Beeinflussung der Leitströmung z. B. durch in der Prozesskammer auftretende Stör- oder Nebenströmungen berücksichtigt, so dass die Leitströme in ihrem weiteren Strömungsverlauf im Wesentlichen parallel zur Hauptströmung strömen, d. h. im Wesentlichen entlang der Hauptströmungsrichtung der Hauptströmung.
Die Leitelemente 61, 62 dienen dabei zumindest abschnittsweise einer Führung bzw. einem Leiten der Leitströmungen und/oder einer Abschirmung der Leitströme, z. B. gegen Störströmungen. Alternativ oder zusätzlich dienen die Leitelemente zumindest abschnittsweise einer Führung bzw. einem Leiten von Störströmungen. Damit kann die Richtungsstabilität und Wirkdistanz der Leitströmung verbessert werden.
Die in 2 bis 4 gezeigten Kanäle 43 und Leitkanäle 51, 52 weisen jeweils eine quadratische bzw. rechteckige Kanalquerschnittsfläche 44 senkrecht zu ihrer Längsrichtung, d. h. in der y-z-Ebene, auf. Die Kanalquerschnittsflächen der Kanäle können jedoch auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise eine runde oder ovale oder sechseckige Form. Allgemein können die Kanalquerschnittsflächen jede beliebige Form aufweisen. Vorzugsweise weisen die Kanalquerschnittsflächen eine symmetrische Form auf, insbesondere eine einfach achsensymmetrische Form, vorzugsweise eine punktsymmetrische Form. Auch müssen die Kanäle nicht in Form einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sein. Beispielsweise können benachbarte Zeilen und/oder Spalten auch gegeneinander versetzt angeordnet sein, oder die Kanäle können in einer beliebigen anderen Anordnung angeordnet sein. In den Figuren ist die Kanalquerschnittsveränderung der Kanäle 43 und der Leitkanäle jeweils linear und kontinuierlich bzw. stetig, d. h. nicht sprunghaft, ausgeführt. Alternativ kann die Kanalquerschnittsveränderung auch gestuft ausgeführt sein, d. h. die Wände der Kanäle 43 und/oder der Leitkanäle 51, 52 weisen jeweils zumindest eine Stufe auf.
Des Weiteren sind die in 2 gezeigten Kanäle 43 des Strömungsmodifikationselements 40 identisch ausgebildet (mit Ausnahme eventuell anders ausgebildeter Kanäle an den Enden 45, 46 des Strömungsmodifikationselements). Die Kanäle 43 können jedoch auch zumindest teilweise unterschiedlich ausgebildet sein, insbesondere können sie sich in der Größe und/oder Form ihrer Kanalquerschnittsflächen unterscheiden. Auch kann das Gas im Betrieb nur durch einen Anteil der Kanäle durchgeleitet werden, um den Durchfluss des Gases zu steuern. Hierzu kann beispielsweise ein Teil der Kanäle des Strömungsmodifikationselements abgedeckt werden, vorzugsweise an der Gaseintrittsseite 41. Dies kann manuell erfolgen, z. B. durch Abkleben oder Abdecken und/oder es kann ein Schieber als Blendenvorrichtung vorgesehen sein. Ein derartiger Schieber kann auch motorisch bewegt werden, was wiederum durch die Steuereinheit 29 gesteuert werden kann.
Insbesondere können Kanäle bereitgestellt sein, die sich in der Größe ihrer Kanalquerschnittsflächen 44 im zweiten Längenabschnitt 153 bzw. in Bereichen der Kanäle 43 mit der jeweils minimalen Kanalquerschnittsfläche des Strömungsmodifikationselements 40 voneinander unterscheiden. Dadurch ist es möglich, Gaseinlassteilströme mit unterschiedlichen Austrittsgeschwindigkeiten bereitzustellen. Insbesondere kann die Austrittsgeschwindigkeit der Gaseinlassteilströme ausgehend von der dem Baufeld 10 zugewandten Seite des Strömungsmodifikationselements 40 nach oben hin zunehmend eingestellt sein, so dass die unteren baufeldnahen Gaseinlassteilströme eine geringere Austrittsgeschwindigkeit aufweisen als die baufeldfernen Gaseinlassteilströme. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Kanalquerschnittsflächen der Kanäle an der Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40 von unten (d. h. der baufeldnahen Seite des Strömungsmodifikationselements) nach oben hin (d. h. in Richtung der Prozesskammerdecke 4a) kleiner werden.
Auch kann die Länge des ersten, zweiten und/oder dritten Längenabschnitts eines ersten Kanals oder Leitkanals von der Länge des jeweiligen Längenabschnitts eines zweiten Kanals oder Leitkanals abweichen. Vorzugsweise ist die Gesamtlänge L des Kanals bzw. Leitkanals jedoch für alle Kanäle und Leitkanäle des Strömungsmodifikationselements gleich. Des Weiteren können die Kanäle 43 auch ohne den zweiten (mittleren) Längenabschnitt bereitgestellt sein. Des Weiteren müssen nicht alle Kanäle 43 des Strömungsmodifikationselements 40 die drei beschriebenen Längenabschnitte aufweisen, es ist beispielsweise auch möglich, Kanäle bereitzustellen, die lediglich einen oder zwei der beschriebenen Längenabschnitte aufweisen.
In der oben mit Bezug auf 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsform des Strömungsmodifikationselements verlaufen die Kanäle 43 geradlinig von der Gaseintrittsseite 41 zur Gasaustrittsseite 42 des Strömungsmodifikationselements 40. Gleiches gilt für die ersten Leitkanallängenabschnitte 53 der Leitkanäle 51, 52. Die Erfindung ist aber nicht auf geradlinige Kanäle bzw. Längenabschnitte bzw. Leitkanallängenabschnitte beschränkt. Beispielsweise können die Kanäle und/oder Leitkanäle auch gekrümmt verlaufen. Zur Berücksichtigung dieses Falls wird im Rahmen der Anmeldung anstelle des Begriffs „Längsrichtung“ die allgemeinere Bezeichnung „Erstreckungsrichtung“ verwendet. Die Erstreckungsrichtung ist dabei durch die Schwerpunkte der Kanalquerschnittsflächen definiert (im Falle eines kreisförmigen Querschnitts ist der Mittelpunkt der Kanalquerschnittsfläche identisch mit dem Schwerpunkt) und kann auch eine gekrümmte Linie sein. Die Erstreckungsrichtung muss nicht einer einzigen Raumrichtung entsprechen, sondern gibt den Verlauf der Kanäle bzw. Leitkanäle wider. Der erste, zweite und dritte Längenabschnitt der Kanäle 43, welche oben in Bezug auf 3 und 4 beschrieben wurden, können dann ebenfalls entsprechend gekrümmte oder relativ zueinander abgewinkelte Linienabschnitte der Erstreckungsrichtung sein. Gleiches gilt für die Leitkanallängenabschnitte 53, 54 der Leitkanäle 51, 52.
Das oben beschriebene Strömungsmodifikationselement 40 kann auch ohne die Leitkanäle bereitgestellt sein oder nur einseitig mit Leitkanälen, beispielsweise nur mit den ersten Leitkanälen 51 oder nur mit den zweiten Leitkanälen 52 bereitgestellt sein. Ferner kann das Strömungsmodifikationselement 40 auch ohne die Leitelemente 61, 62 bereitgestellt sein und/oder es können derartige Leitelemente für die aus den Kanälen 43 austretende Hauptströmung bereitgestellt sein.
Die Prozesskammer 3 und die Gasfördervorrichtung können auch als eine Beströmungsvorrichtung für die Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung 1 bereitgestellt sein, insbesondere als ein Aus- oder Nachrüstsatz zum Ausrüsten bzw. Nachrüsten der Vorrichtung 1. Alternativ oder zusätzlich kann das oben in Bezug auf 2 bis 5 beschriebene Strömungsmodifikationselement als ein Aus- oder Nachrüstsatz zum Ausrüsten bzw. Nachrüsten der Vorrichtung 1 bereitgestellt sein.
Auch wenn die vorliegende Erfindung anhand einer Lasersinter- bzw. Laserschmelzvorrichtung beschrieben wurde, ist sie nicht auf das Lasersintern oder Laserschmelzen eingeschränkt. Sie kann auf beliebige Verfahren zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes durch schichtweises Aufbringen und selektives Verfestigen eines Aufbaumaterials angewendet werden.
Der Belichter kann beispielsweise einen oder mehrere Gas- oder Festkörperlaser oder jede andere Art von Laser wie z.B. Laserdioden, insbesondere VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), oder eine Zeile dieser Laser umfassen. Allgemein kann als Belichter jede Einrichtung verwendet werden, mit der Energie als Wellen- oder Teilchenstrahlung selektiv auf eine Schicht des Aufbaumaterials aufgebracht werden kann. Anstelle eines Lasers können beispielsweise eine andere Lichtquelle, ein Elektronenstrahl oder jede andere Energie- bzw. Strahlenquelle verwendet werden, die geeignet ist, das Aufbaumaterial zu verfestigen. Statt des Ablenkens eines Strahls kann auch das Belichten mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter angewendet werden. Auch auf das selektive Maskensintern, bei dem eine ausgedehnte Lichtquelle und eine Maske verwendet werden, oder auf das High-Speed-Sintern (HSS), bei dem auf dem Aufbaumaterial selektiv ein Material aufgebracht wird, das die Strahlungsabsorption an den entsprechenden Stellen erhöht (Absorptionssintern) oder verringert (Inhibitionssintern), und dann unselektiv großflächig oder mit einem verfahrbaren Zeilenbelichter belichtet wird, kann die Erfindung angewendet werden.
Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D-Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das generative Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/144884 A1 [0004]

Claims

Herstellvorrichtung (1) zur additiven Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (2), wobei das Objekt (2) hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials (13) Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts (2) in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels (22), abgetastet werden, wobei die Herstellvorrichtung (1) umfasst: - einen Baubehälter (5) zur Aufnahme des Aufbaumaterials, - eine oberhalb des Baubehälters (5) vorgesehene Prozesskammer (3), - ein zwischen dem Baubehälter (5) und der Prozesskammer (3) vorgesehenes Baufeld (10), - eine Verfestigungsvorrichtung (20) zum selektiven Verfestigen des Aufbaumaterials, - eine Beströmungsvorrichtung zum Erzeugen eines Gasstroms (30) in der Herstellvorrichtung (1), wobei die Beströmungsvorrichtung ein Strömungsmodifikationselement (32, 40) zum Einleiten des Gasstroms (30) in die Prozesskammer (3) umfasst, wobei das Strömungsmodifikationselement (32, 40) umfasst: - einen Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und - eine Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (419 zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen (44) einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen (44) aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals bzw. der Kanäle zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) ist.
Herstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Kanal (43), bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle (43), weiter bevorzugt alle Kanäle (43) des Strömungsmodifikationselements (40) einen zweiten Längenabschnitt (153) umfasst/umfassen, wobei die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) des Kanals bzw. der Kanäle im zweiten Längenabschnitt (153) im Wesentlichen konstant ist/sind und wobei vorzugsweise der zweite Längenabschnitt (153) entlang der Erstreckungsrichtung an den ersten Längenabschnitt (152) anschließt.
Herstellvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Kanal (43), bevorzugt eine Mehrheit der Kanäle (43), weiter bevorzugt alle Kanäle (43) des Strömungsmodifikationselements (40) einen dritten Längenabschnitt (151) umfasst/umfassen, der an die Eintrittsöffnung (48) des Strömungsmodifikationselements (40) anschließt, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) des Kanals bzw. der Kanäle im dritten Längenabschnitt (151) ausgehend von der Eintrittsöffnung (48) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) im ersten Längenabschnitt (152) gemäß einer monoton, bevorzugt streng monoton, fallenden Funktion und/oder gemäß einer glatten Funktion verringert/verringern, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) im ersten Längenabschnitt (152) besonders bevorzugt gemäß einer linearen Funktion verringert/verringern.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) im ersten Längenabschnitt (152) entlang einer einzigen Richtung quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringert/verringern oder wobei sich die Kanalquerschnittsfläche(n) (44) im ersten Längenabschnitt (152) entlang mindestens zweier voneinander verschiedener Richtungen quer, vorzugsweise senkrecht, zur Erstreckungsrichtung verringert/verringern.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Erstreckungsrichtung gerade ist und die Eintrittsöffnung (48) und die Austrittsöffnung (49) mindestens eines Kanals (43), bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle (43), weiter bevorzugt aller Kanäle (43) des Strömungsmodifikationselements (40) jeweils derart angeordnet und/oder orientiert sind, dass die Erstreckungsrichtung durch ihren jeweiligen Flächenschwerpunkt verläuft, wobei vorzugsweise die Erstreckungsrichtung des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements parallel zum Baufeld (10) verläuft, wobei vorzugsweise die Erstreckungsrichtungen der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements parallel zueinander verlaufen.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Längenabschnitt (152) mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40%, weiter bevorzugt mindestens 50% der Gesamtlänge (L) des mindestens einen Kanals, bevorzugt der Mehrheit der Kanäle, weiter bevorzugt aller Kanäle des Strömungsmodifikationselements zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) umfasst und/oder wobei ein Neigungswinkel (γ) der Wandung des Kanals bzw. der Kanäle relativ zur Erstreckungsrichtung des Kanals bzw. der Kanäle im ersten Längenabschnitt (152) mindestens 1°, bevorzugt mindestens 2°, besonders bevorzugt mindestens 3° und/oder höchstens 20°, bevorzugt höchstens 10°, besonders bevorzugt höchstens 5° beträgt.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine minimale Kanalquerschnittsfläche zumindest eines Kanals (43), bevorzugt einer Mehrheit der Kanäle (43), besonders bevorzugt aller Kanäle (43) höchstens 90%, vorzugsweise höchstens 60%, besonders bevorzugt höchstens 30% einer maximalen Kanalquerschnittsfläche des Kanals (43) bzw. der jeweiligen Kanäle (43) umfasst.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Strömungsmodifikationselement (40) in einer Aussparung einer Wandung (4) der Prozesskammer (3) angeordnet ist und ein minimal umgebendes Rechteck um die Austrittsöffnungen (49) sich vorzugsweise im Wesentlichen ausgehend von einer Ebene des Baufelds (10) nach oben hin erstreckt.
Herstellvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Strömungsmodifikationselement (40) zumindest auf einer horizontal benachbarten Seite der Kanäle (43) zumindest einen Leitkanal (51, 52), vorzugsweise eine Mehrzahl von Leitkanälen (51, 52) zum Erzeugen einer Leitströmung über einem Boden der Prozesskammer (3) neben dem Baufeld (10) umfasst, wobei der Leitkanal (51, 52) bzw. die Leitkanäle (51, 52) den Körper des Strömungsmodifikationselements (40) von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen und eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweist/aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei bevorzugt zumindest ein Leitkanal (51, 52), bevorzugt eine Mehrheit der Leitkanäle (51, 52), besonders bevorzugt alle Leitkanäle (51, 52) einen ersten Leitkanal-Längenabschnitt (53) umfasst/umfassen, der an die Gaseintrittsseite (41) anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche (44) sich ausgehend von der Eintrittsöffnung (48) entlang einer Erstreckungsrichtung des Leitkanals (51, 52) verringert, wobei weiter bevorzugt der Leitkanal (51, 52) bzw. die Leitkanäle (51, 52) einen zweiten Leitkanal-Längenabschnitt (54) umfasst/umfassen, der an die Gasaustrittsseite (42) anschließt und dessen Leitkanalquerschnittsfläche (44) im Wesentlichen konstant ist, wobei besonders bevorzugt der Leitkanal (51, 52) bzw. die Leitkanäle (51, 52) durch den ersten Leitkanal-Längenabschnitt (53) und den zweiten Leitkanal-Längenabschnitt (54) gebildet sind und/oder wobei die Kanäle (43) vorzugsweise in einer dreidimensionalen Matrix angeordnet sind und der Leitkanal (51, 52) bzw. die Leitkanäle (51, 52) auf einer horizontal benachbarten Seite der dreidimensionalen Matrix von Kanälen (43) angeordnet ist/sind.
Verfahren zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) mit den Schritten: Aufbringen eines Aufbaumaterials (13) Schicht auf Schicht, selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere durch Zuführen von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts (2) in dieser Schicht zugeordnet sind, indem die Stellen mittels einer Verfestigungsvorrichtung (20) mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels (22), abgetastet werden, und Wiederholen des schichtweisen Aufbringens und selektiven Verfestigens , bis das Objekt (2) fertiggestellt ist, wobei das Aufbaumaterial in einem Baubehälter (5) vorgesehen ist, oberhalb des Baubehälters (5) eine Prozesskammer (3) vorgesehen ist, und zwischen dem Baubehälter (5) und der Prozesskammer (3) ein Baufeld (10) vorgesehen ist, wobei zumindest zeitweise während der Herstellung des dreidimensionalen Objekts (2) mittels einer Beströmungsvorrichtung ein Gasstrom (33) in der Herstellvorrichtung (1) erzeugt wird, wobei die Beströmungsvorrichtung ein Strömungsmodifikationselement (32, 40) zum Einleiten des Gasstroms (33) in die Prozesskammer (3) umfasst, wobei das Strömungsmodifikationselement (40) umfasst: - einen Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und - eine Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals (43) bzw. der Kanäle (43) zwischen der Eintrittsöffnung (41) und der Austrittsöffnung (42) ist.
Strömungsmodifikationselement (40) zum Einleiten eines Gasstroms (33) in eine Prozesskammer (3) einer Vorrichtung (1) zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2), insbesondere in eine Prozesskammer (3) einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, mit - einem Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und - einer Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals, vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals (43) bzw. der Kanäle (43) ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals (43) bzw. der Kanäle (43) zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) ist.
Beströmungsvorrichtung für eine Vorrichtung (1) zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2) durch schichtweises Verfestigen von Aufbaumaterial (13) mit einem Strömungsmodifikationselement (40) gemäß Anspruch 12.
Verwendung eines Strömungsmodifikationselements (32, 40) zum Einleiten eines Gasstroms (33) in einer Vorrichtung (1) zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2), insbesondere in einer Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Strömungsmodifikationselement (40) aufweist: - einen Körper mit einer Gaseintrittsseite (41) und einer Gasaustrittsseite (42) und - eine Mehrzahl von Kanälen (43), die den Körper von der Gaseintrittsseite (41) zu der Gasaustrittsseite (42) durchdringen, und die eine Eintrittsöffnung (48) auf der Gaseintrittsseite (41) und eine Austrittsöffnung (49) auf der Gasaustrittsseite (42) aufweisen und durch eine Wandung voneinander getrennt sind, wobei sich eine Kanalquerschnittsfläche (44) zumindest eines Kanals (43) senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Kanals (43), vorzugsweise die Kanalquerschnittsflächen einer Mehrheit der Kanäle, besonders bevorzugt die Kanalquerschnittsflächen aller Kanäle, in einem ersten Längenabschnitt (152) des Kanals bzw. der Kanäle ausgehend von der Austrittsöffnung (49) entlang der Erstreckungsrichtung verringert/verringern, wobei der erste Längenabschnitt (152) kürzer als eine Gesamtlänge (L) des Kanals (43) bzw. der Kanäle (43) zwischen der Eintrittsöffnung (48) und der Austrittsöffnung (49) ist.
Beströmungsverfahren zum Erzeugen eines Gasstroms (33) in einer Prozesskammer (3) einer Herstellvorrichtung (1) zum additiven Herstellen eines dreidimensionalen Objekts (2), insbesondere einer Herstellvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Beströmungsverfahren zumindest einen Schritt des Erzeugens eines Gasstroms (33) mittels einer Gaszufuhreinrichtung umfasst, sowie einen Schritt des Einleitens des Gasstroms (33) in die Prozesskammer (3) durch ein Strömungsmodifikationselement (40) gemäß Anspruch 12.