DE102022133160A1

DE102022133160A1 - Filtervorrichtung zur Einstellung einer Atmosphäre innerhalb einer Fertigungsanlage und Fertigungsanlage für ein additives Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102022133160A1
Application number: DE102022133160.1A
Authority: DE
Inventors: Marc Timmer; Leonhard Kosog
Original assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Current assignee: Dmg Mori Additive GmbH
Priority date: 2022-12-13
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024126096A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatisierbare und auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage FA, insbesondere eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen („Selective Laser Melting“, SLM), und eine integrierbare Filtervorrichtung FV, in der durch selektives Einsetzen von Vorrichtungselementen sowohl eine Kontamination unterschiedlicher Partikelrückstände innerhalb der Fertigungsanlage FA vermieden als auch eine durch einen homogenen Prozessgasfluss definierte Fertigungsatmosphäre gebildet werden kann. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Fertigungssystem zur automatisierten Fertigung von Werkstücken mittels Bestrahlung eines zu verarbeitenden Werkstoffes, welches mithilfe von gesteuerten Anpassungen des in die Fertigungsanlage FA einzuführenden Prozessgases an die Eigenschaften der Filtervorrichtung FV, die zuvor beschriebene Generierung der Fertigungsatmosphäre insbesondere unabhängig von den genutzten Fertigungsmaterialien ermöglicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine automatisierbare und auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage, insbesondere eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen („Selective Laser Melting“, SLM), und eine integrierbare Filtervorrichtung, in der durch selektives Einsetzen von Vorrichtungselementen, sowohl eine Kontamination durch unterschiedliche Partikelrückstände innerhalb der Fertigungsanlage vermieden als auch eine durch einen homogenen Prozessgasfluss definierte Fertigungsatmosphäre gebildet werden kann. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Fertigungssystem zur automatisierten Fertigung von Werkstücken mittels Bestrahlung eines zu verarbeitenden Werkstoffes, welches mithilfe von gesteuerten Anpassungen des in die Fertigungsanlage einzuführenden Prozessgases an die Eigenschaften der Filtervorrichtung, die zuvor beschriebene Generierung der Fertigungsatmosphäre insbesondere unabhängig von den genutzten Fertigungsmaterialien ermöglicht.
Hintergrund der Erfindung
Aufgrund zunehmend komplexer werdender Arbeitsprozesse und der daraus entstehenden Anforderung derzeitiger Fertigungsanlagen, möglichst präzise, automatisiert und großflächig fertigen zu können, hat sich die Produktion und Bearbeitung von Werkstücken auf Basis von optischen Wechselwirkungsprozessen zu einer effektiven und wichtigen Arbeitsgrundlage etabliert.
Gattungsgemäß aus dem Stand der Technik bekannte und auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlagen, wie etwa Laser-induzierte und/oder auf additiven Fertigungsschritten basierende Fertigungsanlagen, wie dem selektiven Laserschmelzen, umfassen hierbei zumeist eine oder mehrere Hoch-Intensitätslichtquellen, welche mit einer Mehrzahl von feinjustierten und über ein Computersystem automatisiert ansteuerbaren, optischen Elementen (Linsen, Spiegel, Filter etc.) gekoppelt werden und es somit erlauben, durch Erzeugen eines verdichteten und auf einem bestimmten Fertigungspunkt fokussierten Lichtstrahls, plastisch auf ein gesuchtes Werkstück oder einen gesuchten Werkstoff einzuwirken. Beispielhaft besitzt eine Fertigungsanlage nach dem selektiven Laserschmelzverfahren zumindest eine Laserlichtquelle, welche mittels Software-gestützter Optik, einen gebündelten Laserstrahl auf pulverförmige Schichten von zu verarbeitenden Werkstoffen fokussieren und so, durch lokale, schichtweise miteinander verbindbare Verschmelzungen, einen äußerst effektiven, dreidimensionalen Fertigungsprozess erzeugen kann.
Trotz stetiger Weiterentwicklung solcher Fertigungsanlagen, tritt jedoch in den meisten solcher Systeme weiterhin des Problem auf, dass aufgrund von während des Fertigungsprozesses abfallenden Partikelrückständen, wie etwa aufsteigende Spritzpartikel, Kondensate oder Schmauch, die zur Weiterleitung des optischen Bearbeitungsstrahls benötigten Komponenten verunreinigt oder gar beschädigt werden können, wodurch es bei anhaltenden Fertigungsprozessen zu einer Verminderung der Belichtungspräzision und folglich zu einer Qualitätsminderung des zu erstellenden Werkstücks kommt. Insofern sehen Fertigungsanlagen nach dem Stand der Technik beispielsweise vor, einen Gasstrom in die zu nutzende Prozesskammer der Fertigungsanlage einzuführen, sodass etwaig störende Prozessnebenprodukte bereits während einzelner Fertigungsschritte effektiv abgeführt werden können.
Ungeachtet der oben genannten Vorzüge, ist die Nutzung von einfachen Gaseinströmungen innerhalb einer Fertigungsanlage jedoch seit jeher auch mit einer Reihe von Nachteilen versehen. So kommt es beispielsweise aufgrund der turbulenzbehafteten Eigenschaften der eingeströmten Gasflusses zumeist zu der Problematik, dass Anteile der auszusondernden Partikel auch in den Zuführkreislauf des jeweiligen Gases gelangen können, wodurch, beispielsweise im Falle von vorgesehenen Werkstoffwechseln, aufwendige Reinigungsprozesse vonnöten sind, um eine spätere Kontamination durch angelagerte Werkstoffreste zu verhindern. Darüber hinaus bewirken die zumeist lediglich lokal mit dem Arbeitsbereich der Fertigungsanlage verbundenen Einführungsmechaniken, wie etwa Ventile oder Einlassöffnungen, lediglich eine inhomogene Verteilung des zu nutzenden Gasflusses, sodass die Reinigungsqualität innerhalb bestehender Fertigungsanlagen lokal variiert und somit die Effektivität des Fertigungsprozesses nachweislich reduziert wird.
Infolgedessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben genannten Probleme des Stands der Technik zu lösen und insbesondere eine für auf optische Wechselwirkung basierende Fertigungsanlagen kompatible Filtervorrichtung bereitzustellen, durch welcher die Kontaminationsgefahr innerhalb besagter Fertigungsanlage selbst bei Nutzung zusätzlicher Zirkulationsgase effektiv vermindert werden kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch Einsatz und Anpassung genannter Filtervorrichtung in eine zu verbessernde Fertigungsanlage, insbesondere in ein Gaszufuhrsystem besagter Fertigungsanlage, die Flusseigenschaften des zu nutzenden Gases gleichermaßen derart zu optimieren, dass nicht nur anfallende Fertigungspartikel effektiv aus dem bestehenden Arbeitsbereich der Fertigungsanlage abgesondert werden können, sondern ein jeweiliger Gasfluss auch individuell an etwaige innerhalb der Fertigungsanlage bestehende Begebenheiten angeglichen werden kann.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe werden die Merkmale der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Die abhängigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
Die Filtervorrichtung der vorliegenden Erfindung kann dabei vorzugsweise zumindest ein Verteilungselement zur flächigen Einleitung eines Prozessgasstroms, das heißt eines gewöhnlich für Fertigungsprozesse einzuführenden Gases (z.B. Wasserstoff, Helium, Kohlendioxid, Ethen oder Argon) in den Arbeitsbereich der jeweiligen Fertigungsanlage, sowie ein Filterelement zur Aufreinigung des einzuführenden Prozessgases, vorzugsweise durch Vermeidung von Werkstoffablagerungen innerhalb der zu verwendenden Gaszuführleitungen, umfassen, welche bevorzugt eingerichtet sind, die Qualität des zu nutzenden Prozessgasstroms zunächst, insbesondere durch Abfangen von potentiell schädlichen Werkstoffpartikeln durch das Filterelement, zu verbessern und das so rückstandsfreie Gas, mittels Wechselwirkung mit Bestandteilen des Verteilungselements, möglichst großflächig in den oben beschriebenen Arbeitsbereich einzubringen. Die vorliegende Erfindung bildet somit bevorzugt ein zumindest zweiteiliges Vorrichtungssystem, das mithilfe eines ersten Elementes (dem Filterelement) in der Lage ist, das Eindringen schädlicher Restpartikel in die vorgesehene Gaszuleitung (bei fortbestehender Möglichkeit der Gaszuführung) zu unterbinden, wohingegen ein zweites Element (das Verteilungselement) zudem gleichzeitig ein möglichst großflächiges und somit hoch qualitatives Gasflussprofil sicherstellt. Folglich ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, entgegen des Stands der Technik, einen bestehenden Prozessgasstrom sowohl bezogen auf die materiellen Bestandteile des Prozessgasstroms als auch auf dessen fluiddynamischen Eigenschaften optimal über einen bestehenden Bauprozess zu leiten, wodurch ideale Qualitätseigenschaften des herzustellenden Werkstücks gewährleistet werden können.
Das beschriebene Verteilungselement kann dabei zunächst für die oben genannten Zwecke vorzugsweise zumindest eine perforierte Platte umfassen, welche es dem Verteilungselement insbesondere ermöglicht, einen in dem Gaszuführsystem bestehenden und auf die Filtervorrichtung auftreffenden Prozessgasstrom, bevorzugt durch mehrmalige Diffusionsprozesse innerhalb der in der perforierten Platte bestehenden Perforationen, für eine großflächige Einleitung in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage aufzufächern. Dabei ist die generelle Ausgestaltung der genannten perforierten Platte zunächst nicht auf eine bestimmte Form oder Geometrie beschränkt, sondern kann einleitend zumindest als jeder Art von dreidimensionalen Gebilde angesehen werden, welches eine auf einer Mehrzahl von Perforierungen basierende, räumliche Umverteilung eines hindurchströmenden Gases realisieren kann. Besonders bevorzugt ist die perforierte Platte eine Lochplatte oder ein Lochblech.
Entsprechend kann, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, die zumindest eine perforierte Platte beispielhaft als industriell gefertigte, metallische, synthetische oder aus natürlichen Materialien (Holz, Kohlenstoffe etc.) bestehende Lochplatte oder als Lochblech, beispielsweise gemäß DIN 4185-2 und DIN 24041, ausgebildet sein, welche durch selektiv eingeführte Lochungen, einen fluiddynamischen Verteilungseffekt herbeiführen und somit eine regulierbare Verbreiterung des zu nutzenden Prozessgasstroms erwirken kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können jedoch zu diesem Zweck auch vorzugsweise gewebsartige oder irregulär geformte Materialien, etwa perforierte Polymerschichten, Lamellenbleche oder verschiedene Textilien genutzt werden, um einen analogen Effekt zu erzielen, sodass vorzugsweise, je nach zu nutzenden Prozessgasen sowie zu unterstützenden Fertigungsanlagen, ein individuell angepasstes Verteilungselement genutzt werden kann.
Um hierbei einen für einen jeweiligen Arbeitsprozess optimal eingestellten Prozessgasfluss bereitstellen zu können, können darüber hinaus die Eigenschaften der perforierten Platte vorzugsweise insbesondere auch selektiv an die Bedürfnisse der jeweiligen Fertigungsanlage und/oder den durchzuführenden Fertigungsprozessen angepasst sein. So kann beispielsweise, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, zumindest die Lochgröße der bestehenden Perforationen, deren räumliche Verteilung auf der perforierten Platte und/oder die Dicke der zumindest einen perforierten Platte derart ausgebildet sein, dass sich durch Änderung bzw. Anpassung einer der oben genannten Merkmale, gleichermaßen eine Änderung des in den Arbeitsbereich einfließenden Prozessgasflussprofils erzeugen lässt, sodass sich die Eigenschaften des einzuführenden Prozessgases aktiv durch die Charakteristiken der zumindest einen perforierte Platte beeinflussen lassen.
Auf diesen Grundlagen basierend kann die zumindest eine perforierte Platte entsprechend beispielhaft eingerichtet sein, mittels der zuvor beschriebenen Diffusionseffekte und an die Begebenheiten der jeweiligen Fertigungsanlage bzw. des zu nutzenden Fertigungsprozesses (z.B. Dimensionen des Arbeitsbereiches, Geschwindigkeit des einzuführenden Gasflusses, Menge der abzuführenden Werkstoffpartikel) angepassten Merkmale der zumindest einen perforierten Platte, nicht nur eine Vergrößerung des in den Arbeitsbereichs einzuführenden Prozessgasflusses zu erzeugen, sondern ebenfalls ein zumindest für den jeweiligen Fertigungsprozess angepasstes Flussprofil zu generieren. Vorzugsweise kann die zumindest eine perforierte Platte hierdurch so eingerichtet sein, dass durch Hindurchströmen des Prozessgases durch die Perforierungen der perforierten Platte insbesondere ein zeitlich und/oder räumlich konstanter Prozessgasfluss in dem Arbeitsbereich der Fertigungsanlage generiert wird. In anderen Fällen kann es zudem auch vorzugsweise möglich sein, dass durch Hinzufügen der perforierten Platte beispielhaft auch ein laminarer Fluss innerhalb des Arbeitsbereiches ausgebildet werden kann, sodass etwaige für den Partikelabführungsprozess hinderlichen Verwirbelungen innerhalb des Prozessgasprofils effektiv verhindert werden können. Insofern lässt sich bereits durch ein einzelnes Element der Erfindung ein, im Vergleich zum Stand der Technik, weitaus optimierter Gaseinfluss innerhalb einer Fertigungsanlage erzeugen, wodurch die entsprechende Fertigungsqualität gleichwertig erhöht werden kann.
Das ebenfalls durch die Filtervorrichtung umfasste und zur Partikelfiltration zu nutzende Filterelement kann darüber hinaus bevorzugt gleichermaßen in der Nähe des Verteilungselements, vorzugsweise an dem Verteilungselement selbst bzw. dessen zumindest eine perforierte Platte angeordnet sein, sodass nicht nur ein möglichst geringes Eigenvolumen der vorliegenden Filtervorrichtung erzielt, sondern gleichermaßen auch der zwischen dem Verteilungselement und dem Filterelement entstehende und somit potentiell von Partikelrückständen befallbare Freiraum innerhalb der Filtervorrichtung auf ein Minimum reduziert werden kann. Dabei kann, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das Filterelement insbesondere bevorzugt auf der dem jeweiligen Prozessgasstrom zugewandten Seite der zumindest einen perforierten Platte angeordnet sein, sodass der durch die perforierte Platte erzeugte Prozessgasfluss vorzugsweise störungs- und/oder wechselwirkungsfrei in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage eingeführt werden kann.
Um zudem die oben beschriebene Abschirmungsfunktionen der Filtervorrichtung realisieren zu können, kann das Filterelementferner zumindest ein zur Partikelfiltration eingerichtetes Filtermedium umfassen, etwa ein Filtervlies, einen Polymerfilter, ein antistatisches Filtergewebe oder jegliches andere als Partikelfilter nutzbare Material, welches es dem Filterelement zumindest erlaubt, das Eindringen letztgenannter Werkstoffpartikel in das zu schützende, die Filtervorrichtung integrierende Zuführungssystem (Ventile, Rohre etc.) unterbinden. So kann, in einem äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel, das Filtermedium beispielsweise zumindest eine mit einer vordefinierten Porengröße versehene mechanische Porung besitzen, durch welche durch die Filtervorrichtung durchströmende Werkstoffpartikel mittels des Filterelements abgefangen und somit effektiv von besagtem Zuführungssystem getrennt werden können, insbesondere während des Auspackprozesses.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtermediums kann diese Porengröße dabei insbesondere derart ausgeprägt sein, dass jegliche von dem Arbeitsbereich in den Einlass des Zuführungssystems (und somit in die dort implementierte Filtervorrichtung) eintretende Werkstoffpartikel effektiv von dem Filtermedium abgefangen bzw. aufgenommen werden können. Insofern kann die Porengröße in diesem Fall beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die entsprechenden Werkstoffpartikel beim Auftreffen auf das Filtermedium vorzugsweise vollständig blockiert werden, beispielhaft, indem die Porengröße innerhalb des Filtermediums kleiner ausgebildet ist, als die Größe der aufzunehmenden Werkstoffpartikel (Siebeffekt), sodass ein nahezu perfekter Leistungsgrad des Filtermediums erreicht werden kann. In einem weiteren Ausführungsfall kann die oben genannte Porengröße zudem insbesondere auch so gewählt worden sein, dass neben der Aufnahme der potentiell schädlichen Werkstoffpartikel, das in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage einzuführende Prozessgas gleichermaßen vorzugsweise weiterhin ungestört durch das zu nutzende Filtermedium hindurchgelassen werden kann, wodurch die Filtervorrichtung bevorzugt sowohl im aktiven Zustand (Gaszufuhr aktiv), als auch im inaktiven Zustand des Zuführungssystems (Gaszufuhr inaktiv) der Fertigungsanlage nutzbar bleibt.
Weitere Vorteile der so erzeugten mechanischen Filterungsstruktur lassen sich zudem auch durch eine zusätzliche Optimierung des zu nutzenden Prozessgasstroms generieren.
So kann das zuvor beschriebene Filtermedium beispielsweise gleichermaßen eingerichtet sein, basierend auf den Flusseigenschaften des durch die Filtervorrichtung hindurchströmenden Prozessgasstroms, letzteren Prozessgasstrom vorzugsweise für den Einlass in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage weiter zu homogenisieren, sodass, neben der Ausdehnung des Prozessgasstroms und der somit vergrößerten Wirkungsfläche der eingeführten Prozessgasflusses mittels des Verteilungselements, durch die Filtervorrichtung auch ein möglichst ebenmäßiges Gasflussprofil erstellt werden kann.
Zu diesem Zweckkann die Zusammensetzung des Filtermediums beispielhaft derart ausgebildet sein, dass es während des Hindurchströmens des Prozessgases durch das Filtermedium, zu einer großen Anzahl von Kollisionsprozessen der entsprechenden Prozessgaspartikel an den Materialien (z.B. der Porungen) des Filtermediums kommen kann, wodurch, gemäß dem Diffusionsgesetz, eine höhere Entropie und somit eine Angleichung der lokalen Gaspartikeldichte innerhalb des Prozessgases erzielt wird. Insofern kann, in einem äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel, das Filtermedium des Filterelements insbesondere auch eine Doppelrolle einnehmen und nicht nur das integrierende Zuführungssystem der Fertigungsanlage effizient vor eindringenden Werkstoffpartikeln schützen, sondern gleichermaßen auch eine verbesserte, speziell homogenisierte Durchströmung des Arbeitsbereiches realisieren.
Die genaue Anpassung des Prozessgasprofils mittels des Filtermediums kann hierbei bevorzugt, ähnlich der Eigenschaften der zumindest einen, perforierten Platte des Verteilungselements, insbesondere durch Anpassen etwaiger Struktureigenschaften des Filtermediums an die Flusseigenschaften des durch die Filtervorrichtung durchströmenden Prozessgasstroms erfolgen. So kann beispielhaft, in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, zumindest die Dicke und/oder die Porengröße des genutzten Filtermediums so ausgebildet sein, dass sich, abhängig von den Eigenschaften des zu homogenisierenden Gases (z.B. Geschwindigkeit, Druck, Querschnittsfläche oder Inhalt des Gasstroms) ein in der Arbeitsfläche der Fertigungsanlage homogenisierter Prozessgasfluss ausbildet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel kann hierfür zudem auch die Porengeometrie (z.B. strukturelle Orientierungen der Poren, räumliche Verteilung oder Dichte innerhalb des Filtermediums), etwa durch Verwendung speziell ausgewählter Materialien, an den Prozessgasstrom angepasst sein, sodass nicht nur durch die Einrichtung äußerlicher, sondern auch interner Eigenschaften des Filtermediums, die oben genannte Homogenisierung erfolgen kann.
Entsprechend ist ersichtlich, dass durch die Merkmale der Filtervorrichtung, insbesondere durch die multifunktionalen und an die Eigenschaften des zu nutzenden Prozessgasstroms anpassbaren Verteilungs- und Filterelemente, eine effektive Aufbesserung des in eine Fertigungsanlage einzubringenden Prozessgases realisiert werden kann, welche, neben der effizienten Unterbindung von Partikelablagerungen innerhalb des jeweiligen Gaszuführungssystems (und somit einer potentiellen Kontaminationsgefahr), gleichermaßen auch eine Optimierung des entsprechenden Prozessgasflusses beinhaltet. Darüber hinaus bietet die Filtervorrichtung den Vorteil, dass aufgrund der geringen Anzahl an benötigten Vorrichtungselementen, eine besonders kompakte Konstruktion realisiert werden kann, sodass die Filtervorrichtung vorzugsweise in jede Art von Fertigungsanlage integrierbar ausgestaltet sein kann.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Filtervorrichtung demzufolge insbesondere auch derart ausgebildet sein, dass diese, aufgrund der äußerst kompakten Form, als autonome Vorrichtung vorliegen und individuell bzw. unabhängig von dem Aufbau der jeweiligen Fertigungsanlage, in die zu verbessernde Fertigungsanlage, zumindest jedoch in dessen genutztes Prozessgaszuführungssystem, integriert werden kann.
Um hierbei zudem eine äußerst bevorzugte Verbesserung des Prozessgasflusses sowie den zuvor beschriebenen Kontaminationsschutz gewährleisten zu können, kann die Filtervorrichtung darüber hinaus vorzugsweise auch unmittelbar, d.h. bevorzugt direkt an dem Arbeitsbereich der jeweiligen Fertigungsanlage integrierbar ausgestaltet sein, sodass insbesondere auch die durch die zumindest eine perforierte Platte erzeugten Auffächerungseffekte vorzugsweise wechselwirkungsfrei in besagten Arbeitsbereich eingeführt werden können.
So kann, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Filtervorrichtung hierfür beispielsweise insbesondere direkt an einer den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage definierenden Komponente der Fertigungsanlage, beispielsweise einer Wand einer von der Fertigungsanlage genutzten Prozesskammer oder zumindest einem Einlass des Gaszuführungssystems in den Arbeitsbereich, integrierbar ausgestaltet sein, wodurch eine maximale Wirkung der oben genannten Effekte der Filtervorrichtung erzielt wird. In weiteren, bevorzugten Ausführungsformen kann es zudem auch möglich sein, dass ein Teil der Filtervorrichtung, beispielsweise das Verteilungselement, besonders bevorzugt jedoch insbesondere die zumindest eine perforierte Platte des Verteilungselements, auch derart mit der definierenden Komponente der Fertigungsanlage verbindbar ausgestaltet ist, dass die Filtervorrichtung durch Integration in die jeweilige Fertigungsanlage, als funktioneller Bestandteil der Fertigungsanlage (etwa als Bestandteil der zuvor beschriebenen Prozesskammerwand) wirken oder sogar etwaige Bestandteile der Fertigungsanlage ersetzen kann, sodass nicht nur weitere Materialkosten gespart, sondern auch die Verwendung von zusätzlichen Elementen zur Anpassung der Filtervorrichtung an die jeweilige Fertigungsanlage vermieden werden kann.
Die Integration der Filtervorrichtung in die Fertigungsanlage selbst, kann zudem im bevorzugten Fall mittels lösbaren Fixierungsprozessen, beispielhaft einfachen Verschraubungen, auf mechanischen, elektrischen oder pneumatischen Wechselwirkungen basierende Verspannungen (beispielsweise durch einzuführende Klemmhebel) oder durch bereits in der Fertigungsanlage vorhandene Fixierungselemente, wie etwa mit der Filtervorrichtung kompatiblen Führungsschienen realisiert werden. Dies besitzt insbesondere den Vorteil, dass durch ein so ermöglichtes einfaches Anbringen und Entfernen der Filtervorrichtung an und von der jeweiligen Fertigungsanlage bzw. dem zugehörigen Gaszuführungssystem, ein gleichermaßen simples Austauschen der Filtervorrichtung innerhalb der Fertigungsanlage ermöglicht wird, sodass ein Anpassen der Filtervorrichtung an etwaige Änderungen innerhalb der Fertigungsanlage, beispielsweise im Falle eines Werkstoffwechsels oder einer Änderung des Prozessgases, bevorzugt ebenfalls durch einfaches Ersetzen der bestehenden (d.h. der momentan in die Fertigungsanlage integrierten) Filtervorrichtung mit einer neueren, kompatibleren Version realisiert werden kann.
Insofern kann die Filtervorrichtung entsprechend vorzugsweise eingerichtet sein, im Falle von Änderungen innerhalb der jeweiligen Fertigungsanlage, insbesondere beim Austausch von zu nutzenden Werkstoffen, Prozessgasen oder generellen Arbeitsprozessen, den benötigten Prozessgasfluss (bevorzugt vor dem Starten des geänderten Fertigungsprozesses) zumindest dadurch an die neuen Begebenheiten anzupassen, dass eine bereits in die Fertigungsanlage integrierte Filtervorrichtung durch eine neue, auf die genannten Änderungen abgestimmte Filtervorrichtung (z.B. mittels Nutzung veränderter Filtermedien oder perforierter Platten) ausgetauscht wird, wodurch gleichermaßen eine besonders kosteneffiziente und einfache Anpassungsmethode realisiert wird.
In einer weiteren äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es zudem auch möglich sein, dass für den oben genannten Austauschprozess nicht die gesamte Filtervorrichtung ersetzt werden muss, sondern auch lediglich einzelne Elemente der Filtervorrichtung austauschbar ausgebildet sein können, wodurch die Effizienz besagten Austauschprozesses noch weiter gesteigert werden kann. Beispielsweise kann es möglich sein, dass bei einzelnen Prozessänderungen innerhalb der Fertigungsanlage, wie etwa dem reinen Austausch von zu verwendenden Werkstoffen, der eigentliche Prozessgasstrom unverändert bleiben kann, sodass zur Erhaltung der gewünschten Filtervorrichtungseffekte, lediglich das umfasste Filterelement bzw. dessen Filtermedium an die neuen Begebenheiten angepasst würden müsste (beispielsweise durch Angleichung der Porungsgrößen an den neu zu verwendenden Werkstoff).
Um diesen Fall gleichermaßen in die Fähigkeiten der vorliegenden Erfindung einzubeziehen, kann, in einem weiteren Ausführungsbeispiel, die Filtervorrichtung auch derart ausgebildet sein, dass neben oder anstelle der gesamten Filtervorrichtung, auch zumindest das Verteilungselement (bzw. dessen zumindest eine perforierte Platte) und/oder das Filterelement innerhalb der Filtervorrichtung austauschbar angeordnet sein können, sodass eine Anpassung der Filtervorrichtung an Änderungen innerhalb der Fertigungsanlage, auch durch selektiven Austausch zumindest einer der oben genannten Elemente erfolgen kann.
Ein entsprechendes Anpassen der Filtervorrichtung bzw. eines der durch diese umfassten Elemente kann somit im Folgenden vorzugsweise zumindest als Austauschen der Vorrichtung und/oder besagter Elemente durch eine optimierte Version verstanden werden.
Die Vorteile des oben genannten Adaptierungsprozesses ergeben sich dabei insbesondere aus expliziten Anforderungen der Filtervorrichtung innerhalb der jeweiligen Fertigungsanlage. So können beispielsweise durch ein einfaches Austauschen des Filterelements nach einem jeweiligen Fertigungsprozessschritt, etwaige durch das Filtermedium aufgefangene Werkstoffpartikel effizient aus der Fertigungsanlage bzw. dem Gaszuführungssystem entfernt werden, ohne weitere aufwendige Reinigungsprozesse durchführen zu müssen, wodurch eine besonders kosteneffiziente Reinigungsmechanik realisiert werden kann. Darüber hinaus bietet ein einfaches Ersetzen eines der zuvor beschriebenen Elemente die Möglichkeit, die Merkmale zumindest des Filterelements und/oder des Verteilungselement jeweils spezifisch auf eine vordefinierte Begebenheit während des Fertigungsprozesses (z.B. die Werkstoffpartikelgröße und den zu verwendenden Prozessgaseigenschaften) hin zu entwickeln, sodass eine weitaus genauere Anpassung der Filtervorrichtung an die Eigenschaften der jeweiligen Fertigungsanlage ermöglicht wird.
Der Austauschprozess selbst kann ferner vorzugsweise zudem manuell, in besonders bevorzugten Ausführungsformen jedoch auch automatisiert durchgeführt werden. Insofern kann die Filtervorrichtung beispielhaft bevorzugt eingerichtet sein, zum Austausch der Filtervorrichtung und/oder zumindest einer der oben genannten Elemente, während des Austauschprozesses zumindest einen Teil der Filtervorrichtung offen zu legen, sodass ein zuständiger Bearbeiter das auszutauschende Element bzw. die auszutauschende Vorrichtung entnehmen und durch eine neue ersetzen kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel können hierzu beispielsweise ein oder mehrere vordefinierte und zur Einführung und Entnahme der Vorrichtungselemente eingerichtete Einführungsabschnitte in der Filtervorrichtung implementiert sein, welche selbst nach der Integrierung der Filtervorrichtung in die jeweilige Fertigungsanlage für den oben genannten Bearbeiter zugänglich bleiben und es dem Bearbeiter somit erlauben, den zuvor beschriebenen Austauschprozess vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt und ohne Beeinflussung des Fertigungsprozesses durchführen zu können. In einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann es demgegenüber jedoch auch möglich sein, dass das oben genannte Austauschen der Vorrichtung bzw. der Elemente nicht durch einen einzelnen Bearbeiter, sondern gleichermaßen auch durch einen ebenfalls in der Fertigungsanlage oder der Filtervorrichtung implementierten Automatismus, etwa einem zum automatischen Austauschen eingerichteten Wechselmechanismus realisiert werden kann, sodass eine Anpassung der Filtervorrichtung vorzugsweise auch voll-, zumindest jedoch halbautomatisiert erfolgen kann.
Beispiele für einen solchen Wechselmechanismus sind dabei generell nicht auf eine bestimmte technische Wirkungsweise beschränkt, sondern können im Allgemeinen jede Art von Vorrichtung umfassen, welche einen teilweise oder vollständig automatisierbaren Austauschprozess der oben genannten Elemente ermöglicht. Insofern kann die Filtervorrichtung bevorzugt beispielsweise mit einem mechanischen Wechselmechanismus, etwa einem mechanischen Filterrad oder einem zusätzlichen Roboterarm, in weiteren Fällen jedoch auch mit auf pneumatischen oder elektrischen Verfahren (bspw. Elektromagneten) basierende Vorrichtungen versehen sein, sodass eine Auswechslung der in den Filtervorrichtung enthaltenen Elemente vorzugsweise auf eine bevorzugt an die jeweilige Fertigungsanlage angepasste Weise erfolgen kann. In weiteren bevorzugten Fällen kann es zudem auch möglich sein, dass der zuvor genannte Wechselmechanismus auch einen internen Speicher zur Lagerung bereits genutzter, wiederzuverwendender und/oder auszutauschender Elemente umfassen kann, wodurch der Austauschprozess vorzugsweise auch vollständig autark, d.h. ohne äußere Beeinflussung seitens eines Bearbeiters oder einer von der Fertigungsanlage losgelösten Quelle vollzogen werden kann.
Um darüber hinaus auch eine äußerst präzise Positionierung der einzelnen Elemente in der Filtervorrichtung und somit eine genaue Anpassung des durch die Filtervorrichtung durchströmenden Prozessgasstroms gewährleisten zu können, kann die Filtervorrichtung ferner zudem auch zumindest eine regulierbare Führungsvorrichtung (verstellbare Filteraufnahme), vorzugsweise zur geführten Implementierung und Entnahme des Filterelements und/oder des Verteilungselements in oder aus einer für den Arbeitsbetrieb der Filtervorrichtung vorgesehenen Arbeitspositionen, umfassen. Beispielhaft kann die Führungsvorrichtung zu diesem Zweck eine mechanische Verbindung zwischen dem bereits oben genannten und zur externen Einführung und Entnahme eines Vorrichtungselements eingerichteten Einführungsabschnitt und der letztgenannten Arbeitsposition beinhalten, sodass bei Einführung eines einzuwechselnden Elements in den Einführungsabschnitt, das Element mittels der Führungsvorrichtung vorzugsweise automatisiert in die Arbeitsposition der Filtervorrichtung eingeleitet werden kann.
Um hierbei bevorzugt gleichermaßen eine exakte Ausrichtung des einzuführenden Elements in die Filtervorrichtung gewährleisten zu können, kann die Führungsvorrichtung darüber hinaus auch insbesondere eingerichtet sein, zumindest die zumindest eine perforierte Platte des Verteilungselements und/oder das Filterelement zur Positionierung an eine jeweilige Arbeitsposition lediglich entlang einer vordefinierten, zumindest zwei-, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel jedoch insbesondere eindimensionalen Richtung zu führen, sodass die oben genannten Elemente in ihrer bevorzugten Endposition (der Arbeitsposition) vorzugsweise zu jeder Zeit in einer vordefinierten räumlichen Orientierung innerhalb der Filtervorrichtung vorliegen. Entsprechend kann die zuvor beschriebene Führungsvorrichtung beispielweise zumindest eine auf die Vorrichtungselemente angepasste vorzugsweise horizontal ausgerichtete Linearführung, etwa eine Führungsschiene, ein Lager oder eine jede andere Art von Führungsmechanismus umfassen, welche es der Führungsvorrichtung erlaubt, die Bewegungsfreiheitsgrade eines der in die Filtervorrichtung eingeführten Vorrichtungselemente einzuschränken und somit besonders effizient in die Arbeitsposition einzuleiten. Die Einleitung selbst kann dabei, wie bereits genannt, sowohl manuell durch einen Bearbeiter, als auch automatisiert durch einen internen Wechselmechanismus der Filtervorrichtung oder der jeweiligen Fertigungsanlage vollzogen werden. Zudem kann die Führungsvorrichtung und/oder die Filtervorrichtung zusätzlich auch einen Fixierungsmechanismus, beispielsweise eine an das jeweilige Vorrichtungselement angepasste Klemmapparatur oder eine der bereits oben beschriebenen lösbaren Fixierungsmöglichkeiten beinhalten, sodass zumindest das Filterelement und/oder das Verteilungselement bei Erreichen der Arbeitsposition vorzugsweise auch automatisiert fixiert werden kann.
Entsprechend ist zu vermerken, dass aufgrund der äußerst einfachen und kompakten Konstruktion der Filtervorrichtung, kombiniert mit der effektiv durchzuführenden Anpassung einzelner Vorrichtungselemente an etwaige innerhalb der Fertigungsanlage durchgeführte Änderungen (beispielsweise Werkstoff- oder Prozessgaswechsel), insbesondere durch effizienten Austausch des zumindest einen Filterelements und/oder des Verteilungselements der Filtervorrichtung, eine besonders bedienungsfreundliche und anpassungsfähige Adaption des in die Fertigungsanlage einzuführenden Prozessgasstroms gewährleistet werden kann. Darüber hinaus bietet das simple und entsprechend kostengünstige Design der Filtervorrichtung eine Reihe von Erweiterungsmöglichkeiten.
So kann, wie bereits oben beschrieben, ein Minimalbeispiel der beanspruchten und in das Gaszufuhrsystem der Fertigungseinlage zu integrierenden Filtervorrichtung zumindest eine Positionierung des zur Filterung und Homogenisierung eingerichteten Filterelements an die perforierte Platte des Verteilungselements vorsehen, wobei das Filterelement bzw. das hiermit umfasste Filtermedium dabei vorzugsweise, bezogen auf den zu verbessernden Prozessgasstrom, flussauf der perforierten Platte angebracht sein kann. Insofern kann durch die oben genannte Ausbildung ein zumindest mit zwei Vorrichtungselementen (Filtermedium & perforierte Platte) versehenes Vorrichtungssystem gebildet werden, in welchen ein durch die Filtervorrichtung durchströmendes Prozessgas zunächst mittels des Filtermediums homogenisiert und von den während des Fertigungsprozesses anfallenden Werkstoffpartikeln getrennt und daraufhin durch die Wechselwirkungen mit der perforierten Platte flächig, d.h. möglichst breit in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage eingeführt werden kann.
In weiteren Ausführungsformen der Filtervorrichtung kann es jedoch auch möglich sein, dass auch weitere Vorrichtungselemente in die Filtervorrichtung einführbar ausgestaltet sein können, sodass das zu bearbeitende Prozessgas vorzugsweise noch weiter optimiert wird.
So kann, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, das Verteilungselement der beanspruchten Filtervorrichtung beispielhaft auch zumindest mit einer zweiten perforierten Platte ausgestattet sein, welche vorzugsweise gleichermaßen flussauf des Filterelements in der Filtervorrichtung positioniert sein kann und somit in der Lage ist, den zu bearbeitenden Prozessgasstrom bereits vor dem Auftreffen auf dem Filterelement initial anzupassen. Dabei kann die oben genannte zweite perforierte Platte wahlweise äquivalent zu der ersten perforierten Platte der Filtervorrichtung ausgebildet sein (etwa durch Nutzung gleicher Lochgrößen, Verteilungen oder Plattenausmaßen), sodass sich beispielhaft eine symmetrisch ausgebildete Filtervorrichtung und somit ein besonders einfach zu definierendes Gasflussprofil erzeugen lässt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es jedoch auch möglich, dass sich die Merkmale der zweiten perforierte Platte vorzugsweise explizit von denen der ersten perforierten Platte unterscheiden und vielmehr durch die Eigenschaften des genutzten Prozessgasstroms (Geschwindigkeit des Stroms, Druck, Querschnittsfläche etc.) sowie den Merkmalen des flussab positionierten Filterelements und der ersten perforierten Platte definiert werden.
Letzteres Ausführungsbeispiel besitzt dabei insbesondere den Vorteil, dass mittels der zusätzlich in die Filtervorrichtung eingebrachten perforierten Platte, der in die Filtervorrichtung eindringende Prozessgasstroms bereits vorab an die Wechselwirkungen innerhalb der beanspruchten Filtervorrichtung angepasst werden kann. So können beispielhaft, je nach Auswahl der Lochgrößen, der Verteilung einzelner Perforationen oder der Dicke der ersten perforierten Platte, die Geschwindigkeit oder der Druck des auf die Filtervorrichtung auftreffenden Prozessgasstroms bereits derart verändert werden, dass optimale Bedingungen für die darauffolgende Homogenisierung und Auffächerung des Prozessgasstroms mittels des Filterelements und der ersten perforierten Platte geschaffen werden können, wodurch die Effektivität der beanspruchten Filtervorrichtung noch weiter gesteigert wird. Entsprechend kann die zweite perforierte Platte des Verteilungselements bevorzugt zumindest eingerichtet sein, mittels Vorlegen vordefinierter Merkmale (z.B. Verteilung, Größe und Länge der Perforationen), den auf die Filtervorrichtung auftreffenden Prozessgasstrom derart (aktiv) zu variieren, dass ein zumindest in Abhängigkeit zu den Merkmalen des Filterelements und der ersten perforierten Platte optimiertes und somit in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage eingeführtes, verbessertes Prozessgasprofil generiert werden kann.
Insofern kann eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auch eine zumindest mit zwei perforierten Platten ausgestatte Filtervorrichtung vorsehen, wobei eine jede der eingeführten perforierten Platten unterschiedliche vordefinierte Merkmale beinhalten und somit für unterschiedliche Effekte innerhalb der beanspruchten Filtervorrichtung nutzbar gemacht werden kann. Entsprechend ist darauf hinzuweisen, dass die beanspruchte Filtervorrichtung, sowohl in dieser zumindest drei-Elemente-Form, als auch in der zuvor beschriebenen, durch zwei Vorrichtungselemente definierten Ausführungsform, somit eine komplexe Struktur aus mehreren voneinander abhängigen Vorrichtungselementen ausbildet, in welcher die verschiedenen Merkmale letzterer derart eng miteinander in Beziehung stehen können, dass lediglich durch Anpassung aller Vorrichtungselemente untereinander, ein optimierter, d.h. vorzugsweise reiner, homogenisierter und großflächiger Prozessgasstrom gebildet werden kann.
Weitere Vorteile der oben genannten Ausführungsform können sich zudem erneut auch aus der Positionierung sowie der Ausrichtung und Konstruktion der einzelnen Vorrichtungselemente innerhalb der beanspruchten Filtervorrichtung ergeben.
So kann beispielsweise, wie bereits zuvor genannt, die zweite perforierte Platte vorzugsweise flussauf des Filterelements positioniert sein, sodass sich die durch die zweite perforierte Platte generierten Änderungen des in die Filtervorrichtung einströmenden Prozessgasstroms zur verbesserten Homogenisierung mittels des Filterelements nutzen lassen. Um hierbei gleichermaßen einen möglichst großen Effekt der zweiten perforierten Platte gewährleisten zu können, kann die zweite perforierte Platte darüber hinaus bevorzugt auch insbesondere als expliziter Gaseinlass der beanspruchten Filtervorrichtung fungieren, sodass das in den Arbeitsbereich einzuführende Prozessgas vorzugsweise alleinig durch die in der zweiten perforierten Platte eingefügten Perforierungen (und somit Abhängig von deren Eigenschaften) in die Filtervorrichtung bzw. den Arbeitsbereich gelangen kann.
Die erste perforierte Platte kann zudem, zur optimierten Auffächerung des letztlich bereinigten und homogenisierten Prozessgases, äquivalent bevorzugt als Gasauslass der beanspruchten Filtervorrichtung ausgebildet sein, sodass das bearbeitete Prozessgas vorzugsweise ungehindert in den Arbeitsbereich der jeweiligen Fertigungsanlage eingebracht werden kann. Entsprechend kann die erste perforierte Platte zu diesem Zweck beispielsweise auch erneut in eine Wand einer der Fertigungsanlage zugehörigen Prozesskammer oder zumindest dem Gaseinlass des Gaszuführungssystems der Fertigungsanlage integrierbar ausgestaltet werden, wodurch das durch die Filtervorrichtung optimierte und durch die zweite perforierte Platte ausgegebene Prozessgas direkt in den Arbeitsbereich eingeführt werden kann.
Um zudem auch mittels geeigneter Anordnung der verschiedenen Vorrichtungselemente eine möglichst präzise Prozessgasanpassung ermöglichen zu können, können darüber hinaus auch die zumindest zwei perforierten Platten der beanspruchten Filtervorrichtung insbesondere bevorzugt parallel zueinander und, in einem besonders bevorzugten Fall, orthogonal zur Flussrichtung des einzubringenden Prozessgasstroms ausgerichtet sein. Durch eine solche Orientierung lassen sich insbesondere etwaige Scherströme innerhalb des Prozessgases besonders effektiv verhindern, sodass die Effektivität des Homogenisierungsprozess mittels des Filterelements sowie der Auffächerung durch die erste perforierte Platte auf ein Höchstmaß verbessert werden können. Darüber hinaus ermöglicht die oben genannte Ausrichtung der perforierten Platten insbesondere eine Ausbildung der beanspruchten Filtervorrichtung als geradlinige, funktionelle Flusskammer, sodass sich nicht nur zwischen den beiden perforierten Platten ein von dem übrigen Gaszuführungssystem abgeschottetes bzw. unabhängiges Flussprofil erzeugen, sondern sich das durch diese beiden Vorrichtungselemente gebildete Areal (aufgrund der bevorzugt gleichmäßigen und homogenen Strömung) auch ideal zur Messung etwaiger Prozessgaseigenschaften nutzen lässt. Insofern kann die beanspruchte Filtervorrichtung, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, auch vorzugsweise eingerichtet sein, sich mit zumindest einer oder einer Mehrzahl von Prozessgassensoren, beispielsweise zur Messung der Geschwindigkeit, der Bestandteile oder des Drucks des verwendeten Prozessgases, zu verbinden oder diese in den durch die Filtervorrichtung erzeugten Strömungsweg zu integrieren, sodass mittels der Filtervorrichtung gleichermaßen eine optimale Analyse einzuführenden Prozessgases ermöglicht werden kann.
Das zwischen den beiden perforierten Platten positionierte Filterelement kann indes in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel bevorzugt weiterhin zumindest an der ersten perforierten Platte angebracht bzw. an dieser kontaktiert sein, sodass es effektiv vermieden wird, dass durch das Filtermedium aufzufangende Werkstoffpartikel in einen durch die Filtervorrichtung ausgebildeten Zwischenraum gelangen und sich somit innerhalb der Filtervorrichtung anlagern können. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Filtervorrichtung jedoch auch vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass das Filterelement insbesondere auch den gesamten durch die beiden perforierten Platten generierten Hohlraum innerhalb der Filtervorrichtung ausfüllt, wodurch nicht nur die oben genannte Werkstoffanreicherung innerhalb der Filtervorrichtung vermieden, sondern gleichermaßen auch etwaige an Grenzschichten (etwa beim Übergang von Luft auf Festkörpern) auftretenden Verwirbelungen des innerhalb des Prozessgases effektiv umgangen werden können.
Dabei kann zur Verwirklichung der zuvor beschriebenen Merkmale, in einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, zumindest das Ausmaß des Filterelements vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass dieses formgerecht in den oben genannten Hohlraum der Filtervorrichtung eingeführt werden kann. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann es hingegen jedoch auch möglich sein, dass nicht die Ausmaße des Filterelements, sondern insbesondere die des durch die perforierten Platten geformten Hohlraums anpassbar ausgestaltet sein kann, wodurch vorzugsweise jede Form und Größe des zu nutzenden Filterelements in die beanspruchte Filtervorrichtung integriert werden kann.
So kann die Filtervorrichtung, für den oben genannten Zweck, bevorzugt beispielsweise eine zusätzliche Regulierungsmechanik, beispielshaft ein mit zumindest einen der beiden perforierten Platten verbundenes Spannmittel, einen Spannarm oder eine regulierbare Schienenvorrichtung umfassen, mit welcher zumindest einer der perforierten Platten entlang zumindest einer Achse verschoben oder verkippt und somit positionell an die Form des zu nutzenden Filterelements angepasst werden kann. Insofern kann die Filtervorrichtung durch die zuvor beschriebene Regulierungsmechanik beispielhaft eingerichtet sein, die zumindest eine verschiebbare perforierte Platte entlang der oben genannten Achse zu bewegen und so vorzugsweise den Abstand zwischen den beiden perforierten Platten so einzustellen, dass das zu verwendende Filterelement vorzugsweise passgerecht zwischen den perforierten Platten positioniert werden kann. In weiteren Ausführungsformen kann die zuvor beschriebene Regulierungsmechanik zudem auch dafür genutzt werden, insbesondere mittels Annähern der zumindest einen verschiebbaren perforierten Platte an die andere perforierte Platte, das zumindest eine zu nutzende Filterelement vorzugsweise zwischen den beiden perforierten Platten einzuklemmen, sodass nicht nur eine äußerst effektive und kostengünstige Fixierungsmethode zur Einbringung des Filterelements generiert werden kann, sondern gleichermaßen auch der Austausch letzterer, durch einfaches Wegbewegen der zumindest einen perforierten Platte, besonders einfach und bedienungsfreundlich zu realisieren ist.
Folgend lässt sich erkennen, dass mithilfe der oben genannten und beanspruchten Filtervorrichtung, ein breites Spektrum an bevorzugten Vorteilen gegenüber herkömmlichen in Fertigungsanlagen eingebrachten Gaseinleitungsprozessen generiert werden können, welche, aufgrund der gleichzeitig kompakten und effizient anzupassenden Vorrichtungselemente der Filtervorrichtung vorzugsweise in jede Art von auf optischen Wechselwirkungsprozessen basierende Fertigungsanlage eingebracht werden können.
Darüber hinaus wird im Weiteren ebenfalls ein die zuvor beschriebene Filtervorrichtung beinhaltendes Fertigungssystem beansprucht, welches gleichermaßen die oben genannten Vorteile besitzt und somit gleichermaßen von herkömmlichen Fertigungssystemen zu unterscheiden ist.
Das beanspruchte Fertigungssystem kann hierbei zumindest gleichfalls eine oder eine Mehrzahl von auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlagen entsprechend der zuvor beschriebenen Begriffsbestimmung sowie einer oder mehrerer Ausführungsformen der zuvor definierten und in der Fertigungsanlage integrierten Filtervorrichtungen umfassen. Insofern kann die Fertigungsanlage des beanspruchten Fertigungssystems zunächst zumindest als eine Vorrichtung angesehen werden, welche zumindest eine Lichtquelle (etwa einen Laser, eine leistungsstarke LED oder einen Festkörperstrahler) zur Bearbeitung der genannten Werkstückmaterialien und/oder Werkstoffe, einen oder mehrere durch die Lichtquelle erzeugte und mittels einer Reihe von optischen Elementen (Spiegel, Linsen, optische Filter etc.) definierten Lichtweg sowie einen für den Fertigungsprozess definierten und vorzugsweise von dem äußeren Umfeld der Fertigungsanlage abgesonderten Arbeitsbereich umfasst, wodurch die beanspruchte Fertigungsanlage bevorzugt mit jeder herkömmlichen auf optischen Wechselwirkungen basierende Fertigungsanlage identifiziert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die entsprechende Fertigungsanlage des Fertigungssystems jedoch auch insbesondere eingerichtet sein, zumindest zur additiven Fertigung von Werkstücken, wie etwa mithilfe des selektiven Laserschmelzens („Selective Laser Melting“ - SLM), nutzbar ausgestattet zu sein.
Insbesondere kann die auf optischen Wechselwirkungen basierende Fertigungsanlage zu diesem Zweck vorzugsweise zumindest eine Prozesskammer umfassen, in welcher die zur Werkstückherstellung benötigten Werkstückmaterialien und/oder Werkstoffe eingebracht und durch Belichtung mithilfe der Lichtquelle bearbeitet werden können. Insofern kann besagte Prozesskammer in einem besonders bevorzugten Fall auch derart eingerichtet sein, dass insbesondere der Innenraum der Prozesskammer für die jeweiligen Fertigungsprozesse genutzt und somit den vorliegenden Arbeitsbereich der Fertigungsanlage definieren kann.
Die Prozesskammer selbst kann dabei zudem bevorzugt, insbesondere um die für das SLM-Verfahren benötigten atmosphärischen Bedingungen erfüllen zu können, vollständig bzw. hermetisch verschließbar ausgebildet und insbesondere mit einer Anzahl an chemischen und/oder mechanischen Regulationselementen ausgestattet sein, welche es der Prozesskammer des Fertigungssystems ermöglicht, eine für den Fertigungsprozess benötigte und innerhalb des Arbeitsbereichs auszubildende Atmosphäre (beispielsweise durch Zufuhr bestimmter Prozessgase und Einstellung eines innerhalb des Arbeitsbereiches herzustellenden Drucks) zu generieren und vorzugsweise dynamisch anzupassen, wodurch ein äußerst stabiles und fehlerfreies Fertigungsverfahren realisiert werden kann.
Speziell kann die Prozesskammer hierzu beispielweise zumindest eine mit einem Gaszuführungssystem der Fertigungsanlage gekoppelte Gaseinlassvorrichtung umfassen, durch welcher die Einfuhr der oben beschriebenen Prozessgase geregelt und somit auch der zuvor genannte Abtragprozess etwaiger innerhalb des Arbeitsbereiches anfallender Werkstoffpartikelreste realisiert werden kann.
So kann, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, die genannte Gaseinlassvorrichtung beispielhaft mit einem Gaskreislauf zur Bereitstellung von in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage einzuführenden Prozessgasen sowie zumindest dem zuvor beschriebenen Gaszuführungssystem, etwa einer Mehrzahl von mit der Prozesskammer und dem Gaskreislauf verbundenen Ventilen und Gaszuleitungen ausgestattet sein, welche es der Gaseinlassvorrichtung erlauben, ein vordefiniertes Prozessgas oder ein Prozessgasgemisch über einen mit der Prozesskammer kontaktierten Einlass in das Innere der Prozesskammer zu leiten und somit den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage an die atmosphärischen Bedingungen des jeweiligen Fertigungsprozesses anzupassen.
Um hierbei gleichermaßen den so in dem Arbeitsbereich der Fertigungsanlage erzeugten Prozessgasfluss zur Abtragung etwaig anfallender Werkstoffpartikel nutzen zu können, kann die Prozesskammer darüber hinaus auch zumindest einen Gasauslass, etwa ein weiteres in der Prozesskammer eingebrachtes, vorzugsweise regulierbares Gasventil oder eine Gasanschlussvorrichtung, umfassen, mit welcher der in den Arbeitsbereich eingeführte Prozessgasstrom erneut aus der Prozesskammer entnommen und somit ein zur Mitnahme/Absorption von während des Fertigungsprozesses anfallenden Werkstoffpartikeln eingerichteter, stetiger Prozessgasfluss innerhalb des Arbeitsbereiches gebildet werden kann.
Die allgemeine Form und Positionierung etwaiger Gasein- oder -auslässen innerhalb der Fertigungsanlage sowie die Strukturierung der zuvor genannten Gaseinlassvorrichtung können dabei vorzugsweise je nach genutzten Fertigungsprozessen und Handlungsweisen der Fertigungsanlage variieren. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel kann jedoch zumindest das Gaszuführungssystem bzw. die mit diesen umfassten und zur Einführung des Prozessgases genutzten Gaszuleitungen vorzugsweise bereits flächig, das heißt, mit einem vergleichsweise großen Flussquerschnitt ausgebildet sein (beispielsweise zumindest die Hälfte des zu nutzenden Prozesskammerquerschnitts), sodass sich zum einen bereits in dem Gaszuführungssystem ein möglichst breites Flussprofil des Prozessgases ausbilden, zum anderen jedoch auch der innerhalb des Gaszuführungssystem anfallende Druck effektiv reduziert werden kann. Darüber hinaus kann der oben beschriebene Gasauslass der Prozesskammer insbesondere bevorzugt an einer Seitenwand der Prozesskammer, vorzugsweise nahe der Grundfläche letzterer positioniert sein, wodurch der Vorteil generiert wird, dass der durch die Gaseinlassvorrichtung generierte Prozessgasfluss insbesondere nahe dem Fertigungsareal und somit nahe der abzutragenden Partikelquelle (dem bearbeiteten Werkstück) geleitet werden kann.
In einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, kann der den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage durchströmende Prozessgasfluss zudem auch insbesondere nicht nur einen, sondern vorzugsweise mehrere Prozessgasströme umfassen, welche, je nach ausgewähltem Fertigungsprozess, voneinander zu unterscheidende Eigenschaften besitzen und somit für unterschiedliche Einsatzzwecke genutzt werden können. So kann eine bevorzugte Ausführungsform der Fertigungsanlage beispielhaft zumindest einen entlang der Grundfläche des Arbeitsbereiches geführten, ersten Primärprozessgasfluss, insbesondere zum Entfernen von Partikelrückständen an besagter Grundfläche des Arbeitsbereiches, sowie einen die gesamte Prozesskammer überspannenden, zweiten Sekundärprozessgasfluss umfassen, welcher vorzugsweise dafür eingerichtet sein kann, weitere Partikelrückstände in der übrigen gesamten Prozesskammer zu entfernen. Insofern kann durch die so erzeugte Einteilung des in der Prozesskammer befindlichen Prozessgasflusses in mehrere Prozessgasströme somit der Vorteil generiert werden, dass, je nach regionaler Stärke und Verschmutzungsgrad der in dem Arbeitsbereich anfallenden Partikelablagerungen, ein speziell an die oben genannten Eigenschaften der Ablagerung angepasstes Flussprofil erstellt werden kann.
Entsprechend kann der Primarprozessgasfluss beispielhaft bevorzugt mit einer, im Vergleich zum Sekundärprozessgasfluss, höheren Fließgeschwindigkeit ausgestattet sein, um die häufiger am Boden der Prozesskammer aufzufindenden Werkstoffpartikel schneller und effizienter zu entfernen. Demgegenüber kann hingegen der Sekundärprozessgasfluss vorzugsweise als langsamerer, jedoch weitaus flächiger und, in einem besonders bevorzugten Fall, auch stetiger Prozessgasfluss ausgebildet sein, wodurch eine äußerst gleichmäßige Partikelabtragung sichergestellt werden kann.
Die zur Verbesserung des Prozessgasflusses und zum Schutz des Gaseinführungssystems vor etwaigen Werkstoffablagerungen eingerichtete Filtervorrichtung kann zudem vorzugsweise unmittelbar in dem Gaseinführungssystem, das heißt, in zumindest einem Ventil des Gaseinführungssystems integriert sein, sodass der in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage einzuleitende Prozessgasstrom vorzugsweise direkt mit der Filtervorrichtung in Kontakt kommt, durch diesen hindurchfließt und somit dessen Eigenschaften nach den bereits oben genannten Prinzipen optimieren kann. Um hierbei ferner einen möglichst großen Effekt der Filtervorrichtung gewährleisten zu können, kann die beanspruchte Filtervorrichtung zudem, in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, auch insbesondere direkt mit der Prozesskammer der Fertigungsanlage verbunden sein, sodass vorzugsweise der durch die Filtervorrichtung optimierte Prozessgasstrom wechselwirkungsfrei in den Arbeitsbereich eingeführt werden kann.
So kann, in einem äußerst bevorzugten Ausführungsbeispiel, die Filtervorrichtung zu diesem Zweck insbesondere gleichermaßen zumindest an einer Wand der Prozesskammer integriert ausgestaltet sein, sodass das oben beschriebene optimierte Prozessgas vorzugsweise direkt nach dem Durchströmen durch die Filtervorrichtung in die Prozesskammer gelangen kann. Genauer kann hierfür beispielhaft bevorzugt die zumindest eine perforierte und zur Auffächerung des Prozessgasstroms eingerichtete Platte der Filtervorrichtung an die oben genannte Wand der Prozesskammer einbringbar ausgestaltet sein, wodurch besagte perforierte Platte nicht nur als direkter Einlass des Prozessgases in die Prozesskammer genutzt werden, sondern gleichermaßen auch als funktionaler Bestandteil (d.h. zumindest als ein Teil) der Prozesskammer fungieren kann.
Insofern kann ein bevorzugter Einlassprozess eines in den Arbeitsbereich der beanspruchten Fertigungsanlage einzuführenden Prozessgases in der vorliegenden Erfindung einen zumindest dreistufigen Einführungsmechanismus beinhalten. So kann, in einem ersten Schritt, ausgewähltes Prozessgas durch die Gaseinlassvorrichtung, beispielsweise aus dem zuvor genannten Gaskreislauf, in das ebenfalls in der Gaseinlassvorrichtung umfasste Gaszuführungssystem eingelassen werden, sodass das jeweilige Prozessgas über die in dem Gaszuführungssystem beinhaltenden Ventile und Gaszuleitungen in Richtung der Prozesskammer geführt werden können. In einem zweiten bevorzugten Schritt, kann daraufhin das eingeleitete Prozessgas innerhalb des Gaszuführungssystems auf die flusstechnisch mit der Gaseinlassvorrichtung verbundene (d.h. beispielsweise in dem Gaszuführungssystem integrierte) Filtervorrichtung auftreffen und folglich basierend auf den durch die Gaseinlassvorrichtung generierten Gasstrom, in die Filtervorrichtung eingeführt werden, wodurch der Prozessgasstrom mittels der implementierten Filter- und Verteilungselemente vorzugsweise zumindest homogenisiert und aufgefächert und somit für den Fluss durch den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage optimiert werden kann. In einem vorzugsweise letzten Schritt, kann zudem das optimierte Prozessgas aus der zumindest einen perforierten Platte der Filtervorrichtung herausgeführt und somit verbessert in die Prozesskammer der jeweiligen Fertigungsanlage hingeleitet werden, sodass ein bevorzugt optimal an die Begebenheiten bzw. Bedingungen des jeweiligen Fertigungsprozesses angepasster Prozessgasstrom gebildet werden kann.
Entsprechend besitzt die oben beschriebene Kombination aus mit der Prozesskammer der Fertigungsanlage verbundenen Gaszuführungssystem (bzw. der hierzu genutzten Gaszufuhrvorrichtung) und der vorzugsweise in dieser integrierten Filtervorrichtung den besonderen Vorteil, dass das Gaszuführungssystem mittels der Filtervorrichtung nicht nur effektiv vor etwaigen Werkstoffpartikelablagerungen geschützt, sondern gleichermaßen auch der durch diese geführte Prozessgasstrom optimal an die Bedingungen innerhalb der Prozesskammer ausgerichtet werden kann.
Zudem ermöglicht, wie bereits zuvor beschrieben, die äußerst kompakte und vorzugsweise einfach auszutauschende Konstruktion der beanspruchten Filtervorrichtung eine besonders einfache Anpassung der Vorrichtungsmerkmale der Filtervorrichtung an etwaige innerhalb der Fertigungsanlage durchzuführenden Änderungen.
So ist es, wie genannt, beispielsweise möglich, dass einzelne Vorrichtungselemente der Filtervorrichtung und/oder die gesamte Filtervorrichtung selbst im integrierten Zustand bevorzugt einfach gegen eine jeweilige (hinsichtlich der oben genannten Änderungen innerhalb der Fertigungsanlage) optimierte Version ausgetauscht werden können, sodass, beispielhaft im Zuge eines Werkstoffwechsels oder bei Änderung des zu verwendenden Prozessgases (oder deren Eigenschaften), die Filtervorrichtung äußerst effektiv und kostengünstig an die neuen Begebenheiten angepasst werden kann. Darüber hinaus kann es zudem insbesondere auch möglich sein, dass auch die in der Fertigungsanlage implementierte Gaseinlassvorrichtung eingerichtet sein kann, die Fließeigenschaften des einzuführenden Prozessgasstroms, vorzugsweise abhängig von der Beschaffenheit der Filtervorrichtung, d.h. insbesondere den Merkmalen des Verteilungselements und/oder des Filterelements, anzupassen, wodurch die Wirkungsweise der Filtervorrichtung noch weiter verbessert werden kann.
Insofern kann, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, die Gaseinlassvorrichtung auch beispielsweise bevorzugt mit zumindest einem oder mehreren Steuerungsvorrichtungen ausgestattet sein, welche es der Gaseinlassvorrichtung vorzugsweise erlaubt, vordefinierte Eigenschaften des in die Filtervorrichtung einzuleitenden Prozessgasstroms selektiv zu verändern und somit an etwaige neue Merkmale der Filtervorrichtung zu adaptieren. So kann beispielsweise die zumindest eine Steuerungsvorrichtung bevorzugt mit den Ventilen des Gaszuführungssystems gekoppelt ausgestaltet sein, wodurch die Steuervorrichtung in der Lage ist, beispielhaft bevorzugt bei Erhalt eines Änderungssignals, die oben genannten Eigenschaften des Prozessgasstroms (z.B. den Druck, chemische Bestandteile etc.) an neue Merkmale der Filtervorrichtung anzupassen und somit einen zu jeder Zeit optimal an die genutzte Filtervorrichtung ausgerichteten Prozessgasstrom zu realisieren. Umgekehrt kann jedoch, wie bereits oben beschrieben, auch die Filtervorrichtung vorzugsweise an die Eigenschaften des einzuführenden Prozessgases anpassbar ausgestaltet sein, sodass sich ein auf mehreren Anpassungsmöglichkeiten basierendes Stellsystem erzeugen lässt.
Der genaue mittels der Steuerungsvorrichtung durchzuführende Anpassungsprozess kann hierbei erneut je nach zu nutzender Fertigungsanlage und dort genutzten Fertigungsprozessen variieren. In einem ersten Ausführungsbeispiel kann es jedoch zumindest möglich sein, dass die zuvor genannte Anpassung des Prozessgasstroms beispielhaft durch ein manuelles Aktivierungssignal, beispielsweise bevorzugt durch manuelle Eingabe des oben genannten Änderungssignals an die Steuerungsvorrichtung erfolgen kann. Insofern kann beispielsweise ein bereits eine Anpassung an der Filtervorrichtung durchgeführter Bearbeiter, nach vollendeter Adjustierung der Filtervorrichtung, gleichermaßen beispielhaft ein vordefiniertes und an die durchgeführte Anpassung abgestimmtes Signal (das Änderungssignal) an die Steuervorrichtung übermitteln, wodurch dieses entsprechende Justierungen in dem Gaszuführungssystem vornimmt. In weiteren Fällen kann es zudem auch möglich sein, dass auch die durch die Steuerungsvorrichtung durchgeführten Änderungen vorzugsweise automatisiert durchgeführt werden, etwa indem etwaige Anpassungen innerhalb der Filtervorrichtung durch integrierte Sensoren erfasst und, mittels automatisierter Datenübertragung, zur Erstellung eines individuellen Änderungssignals (z.B. durch Nutzung von internen Datenbanken) genutzten werden können.
Des Weiteren, werden auf Basis der oben genannten Eigenschaften der beanspruchten Fertigungsanlage, sowie der in dieser integrierten Filtervorrichtung, eine Reihe von Verfahrensschritte beansprucht, welche ebenfalls der beanspruchten Erfindung zugeordnet werden können und somit gleichermaßen von Verfahrensschritten gewöhnlicher auf optischen Wechselwirkungen basierender Fertigungsanlagen bzw. Filtervorrichtungen zu unterscheiden sind.
Genauer beziehen sich die beanspruchten Verfahrensschritte auf ein Verfahren zur Einstellung einer Atmosphäre innerhalb einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage, insbesondere einer SLM-Anlage, umfassend zumindest eine zur Fertigung eines Werkstücks konfigurierte Lichtquelle, einer Mehrzahl von optischen Elementen zur Steuerung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweges und einer einen Arbeitsbereich der Fertigungsanlage definierenden Prozesskammer, wobei die Verfahrensschritte zumindest umfassen können:

- Integrieren einer Filtervorrichtung gemäß den zuvor beschriebenen Merkmalen an zumindest einer Wand der auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage;
- Generieren eines regulierten Prozessgasflusses in den Arbeitsbereich der Prozesskammer durch Einführung eines durch die Filtervorrichtung geleiteten Prozessgasstroms in die Prozesskammer; und
- Regulieren des Prozessgasflusses durch Anpassen der Beschaffenheit des Verteilungselements und/oder des Filterelements der Filtervorrichtung.

Darüber hinaus können weitere, ebenfalls beanspruchte Verfahrensschritte zumindest die Tätigkeiten umfassen:

- Regulieren des in die Filtervorrichtung einzuführenden Prozessgasstroms mittels einer Gaseinlassvorrichtung in Abhängigkeit zu der Beschaffenheit des Verteilungselements und/oder des Filterelements der Filtervorrichtung;
- Austauschen der zumindest einen perforierten Platte und/oder des Filterelements vor einem Werkstoffwechsel in der Fertigungsanlage, wobei die eingewechselte perforierte Platte und/oder das Filterelement an das zu verwendende Werkstoff angepasst ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Fertigungssystem vorgeschlagen, zur Fertigung eines Werkstücks mit einer auf optischen Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage, insbesondere einer SLM-Anlage. Das Fertigungssystem kann dabei umfassen: eine auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage mit zumindest einer zur Fertigung des Werkstücks konfigurierten Lichtquelle und/oder einer oder mehrerer optischer Elemente zur Steuerung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweges und/oder einer einen Arbeitsbereich der Fertigungsanlage definierenden Prozesskammer; und zumindest eine Filtervorrichtung. Die Filtervorrichtung kann dabei an (oder in) einer Wand der Prozesskammer integriert sein.
Das Fertigungssystem kann zudem eine erste Sensorik umfassen. Die erste Sensorik kann mit einem oder mit mehreren Sensoren zur Erfassung und/oder zur Bestimmung der Prozessgrößen (insbesondere der Eigenschaften des in die Prozesskammer zugeführten oder zuzuführenden Gases) ausgestattet sein.
Ein in die Prozesskammer zugeführtes Prozessgas wird zunächst in die Fluidkammer oder einen Einlassbereich geleitet, bevor dieses Gas durch die Filtervorrichtung in die Prozesskammer strömt. Die erste Sensorik kann dabei im Bereich der Fluidkammer (oder des Einlassbereichs) der Gaszufuhr und/oder stromauf der Filtervorrichtung angeordnet sein. Somit kann die erste Sensorik, geschützt vor dem Einfluss von Prozessnebenprodukten (welche beispielsweise in der Prozesskammer vorliegen), hinter der Filtervorrichtung angeordnet sein. Im Bereich der Fluidkammer (oder des Einlassbereichs) kann somit eine sichere Erfassung von Messwerten und/oder Prozessgrößen durch die erste Sensorik erfolgen.
Das Fertigungssystem kann eine Fluidkammer (bzw. einen Gaseinlasskasten oder einen Einlassbereich) aufweisen, welche benachbart, bevorzugt direkt angrenzend, zur Prozesskammer (i.e. dem Arbeitsbereich der Fertigungsanlage oder dem Bauraum) angeordnet ist. Die Fluidkammer kann dabei mit der Gaseinlassvorrichtung verbunden sein und daher mit einem Gaskreislauf zur Bereitstellung von in den Arbeitsbereich der Fertigungsanlage einzuleitenden Prozessgas.
Die Fluidkammer weist bevorzugt eine (im Wesentlichen horizontal angeordnete) obere Wand auf sowie eine oder mehrere angrenzende Seitenwände. Besonders bevorzugt ist die Filtervorrichtung dabei als Teil einer Wand der Fluidkammer und gleichzeitig als Teil einer Wand der Prozesskammer ausgebildet. Bevorzugt sind die Sensoren zumindest an der oberen Wand und/oder an zumindest einer Seitenwand der Fluidkammer angeordnet.
Die Sensoren der ersten Sensorik können zudem derart an der oberen Wand und/oder Seitenwand angeordnet sein, dass diese aus der Wandoberfläche in die Fluidkammer hineinragen. Dadurch kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden.
Vorteilhaft kann die Fluidkammer über eine Verbindungsöffnung eine fluidtechnische Verbindung mit einem Gaskreislauf (welcher bevorzugt ein internes Filtersystem zum Aufbereiten des Prozessgases und eine Pumpe zur Förderung des Prozessgases aufweisen kann) aufweisen.
Zudem kann die Fluidkammer eine vor der Verbindungsöffnung positionierte Stoppwand aufweisen, auf welche das in die Fluidkammer einströmende Prozessgas zunächst nach Ausgabe aus dem Gaskreislauf treffen kann um somit etwaige Verwirbelungen des zu nutzenden Prozessgasstroms bereits innerhalb der Fluidkammer effektiv vermindern zu können. Vorteilhaft kann zumindest ein Sensor der ersten Sensorik direkt über der Stoppwand an der oberen Wand der Fluidkammer angeordnet sein.
Die vorteilhaft angeordnete erste Sensorik kann einen oder mehrere Drucksensoren umfassen. Die Drucksensoren können eingerichtet sein den Prozessdruck zu erfassen und/oder den Filtervorrichtungsdifferenzdruck. Weiter vorteilhaft kann die Sensorik einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung des Sauerstoffgehalts in der Fluidkammer/Prozesskammer und/oder zur Erfassung des Sauerstoffgehalts im Bereich des Filters aufweisen.
Zudem kann zumindest ein Sensor zur Erfassung des Gasflusses aus der Fluidkammer vorgesehen sein. Weiters kann zumindest ein Temperatursensor vorgesehen sein, zur Erfassung oder Bestimmung der Gastemperatur und/oder des Taupunktes des Prozessgases und/oder der Bauraumtemperatur.
Zusätzlich kann optional auch eine zweite Sensorik zur Bestimmung der Prozessgrößen vorgesehen sein, wobei diese zweite Sensorik außerhalb der Fluidkammer angeordnet ist und insbesondere in der Prozesskammer angeordnet sein kann.
Verfahrensschritte zur Herstellung eines Bauteils mittels einem zuvor beschriebenen Fertigungssystem können zumindest zusätzlich einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen: Regulieren des in die Filtervorrichtung einzuführenden Prozessgasstroms mittels einer Gaseinlassvorrichtung zumindest teilweise in Abhängigkeit von Erfassungswerten der ersten Sensorik; Generieren eines regulierten Prozessgasflusses in den Arbeitsbereich der Prozesskammer durch Einführung eines durch die Filtervorrichtung geleiteten Prozessgasstroms in die Prozesskammer, zumindest teilweise in Abhängigkeit von Erfassungswerten der ersten Sensorik; Regulieren des Prozessgasflusses durch Anpassen der Beschaffenheit des Verteilungselements und/oder des Filterelements der Filtervorrichtung, insbesondere durch Austauschen des Filterelements zumindest teilweise in Abhängigkeit von Erfassungswerten der ersten Sensorik; Steuern der (Laser-)Lichtquelle zumindest teilweise in Abhängigkeit von Erfassungswerten der ersten Sensorik.
Kurzbeschreibung der Figuren

1: zeigt einen Querschnitt einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage, speziell einer SLM-Anlage, mit einer an einer Wand der Prozesskammer integrierten Filtervorrichtung;
2: zeigt eine dreidimensionale Querschnittsansicht der optischen Fertigungsanlage der 1;
3: zeigt die 2 mit zusätzlichen Flussstromlinien zur Markierung der in der Fertigungsanlage genutzten Primär- und Sekundärprozessgasströme;
4: zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer mit der Filtervorrichtung integrierten Fertigungsanlage als dreidimensionale Querschnittszeichnung, wobei die Fertigungsanlage gleichermaßen eine flächige Gaszuführvorrichtung umfasst;
5: zeigt die Fertigungsanlage der 4 in einer vertikal gespiegelten Ansicht;
6: zeigt eine zweidimensionale Querschnittszeichnung der Filtervorrichtung der 4 und 5;
7 Zeigt eine weitere Ausbildung der Fertigungsanlage.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand beispielhafter Figuren detailliert beschrieben. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele sind im Ganzen oder teilweise kombinierbar und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die 1 und 2 zeigen eine schematische Ausführungsform einer ersten auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage FA, speziell eine Fertigungsanlage zum selektiven Laserschmelzen, gemäß der beanspruchten Erfindung, in welcher ein zu verarbeitender Werkstoff (hier dargestellt als Werkstoffschicht 6) mittels optischer Bestrahlung in einem Arbeitsbereich 4 der Fertigungsanlage FA hergestellt oder bearbeitet werden kann.
Dabei sehen zu diesem Zweck Fertigungsanlagen, wie die in den 1 und 2 dargestellte Fertigungsanlage FA, zumindest eine (Laser-)Lichtquelle vor, welche über ein an die Fertigungsanlage FA gekoppeltes Steuerungssystem einen zur Wechselwirkung mit dem zu verarbeitenden Werkstoff modifizierten Lichtstrahl erzeugt und dieser Lichtstrahl mithilfe von verschiedenen, vorzugsweise in einem Scankopf integrierten optischen Elementen, wie etwa Fokus- oder Streulinsen, Spiegeln, optischen Filtern etc., über einen vordefinierten Lichtweg auf den zuvor genannten und für gewöhnlich in dem Arbeitsbereich 4 positionierten Werkstoff fokussiert wird. Die Bearbeitung bzw. Herstellung des so durch den fokussierten Lichtstrahl belichteten Werkstoffes/Werkstücks erfolgt daraufhin mittels lokalen und vorzugsweise sequentiellen plastischen Verformungen des in den Arbeitsbereich 4 eingebrachten Werkstoffmaterials.
So wird beispielhaft in der dargestellten SLM-Anlage, zur Herstellung eines beliebigen dreidimensionalen Werkstücks, das zu bearbeitende Material zunächst in Pulverform in einer dünnen Werkstoffschicht 6 in den Arbeitsbereich 4, vorzugsweise auf eine vertikal verfahrbare Grundplatte aufgebracht und mittels Bewegung besagter Grundplatte auf eine dem Lichtweg der Lichtquelle entsprechenden Bearbeitungshöhe positioniert. Daraufhin wird die zu bearbeitende Werkstoffschicht 6 zur Bearbeitung lokal, mittels des oben genannten und in der vorliegenden Fertigungsanlage durch das Schutzglas 10 auf die Werkstoffschicht 6 fokussierten Lichtstrahls umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht, auf welcher, in darauffolgenden Prozessschritten und mithilfe eines gleichermaßen in der Fertigungsanlage FA befindlichen Beschichters 8, erneut zusätzliche Werkstoffschichten aufgetragen und diese wiederholt mithilfe des fokussierten Lichtstrahls zusammengeschmolzen werden, bis sich eine gewünschte dreidimensionale Werkstoffform (das Werkstück) ergibt.
Wie bereits genannt, ergibt sich dabei jedoch aufgrund des oben beschriebenen Fertigungsprozesses für gewöhnlich in SLM-Anlagen nach dem Stand der Technik das Problem, dass etwaige während der Fertigung anfallende Prozessrückstände, wie etwa Schmauch oder in die Atmosphäre gelangende Werkstoffpartikel, einen negativen Effekt auf die Bearbeitungsqualität der jeweiligen Fertigungsanlage FA haben können, da beispielhaft so entstehende Werkstoffablagerungen an dem Schutzglas 10 oder verändernde Brechungsindizes innerhalb der Fertigungsatmosphäre, nachteilige Brechungen des bearbeitenden Lichtstrahls nach sich ziehen können. Darüber hinaus forciert das gleichermaßen bestehende Eindringen von Werkstoffpartikeln in etwaige Prozessgaszuführsysteme eine gleichermaßen aufwendige wie auch kostenintensive Reinigung letzterer, da ansonsten, im Falle von anfallenden Werkstoffwechseln, von einer hohen Kontaminationsgefahr durch Restpartikel ausgegangen werden muss.
Insofern wird zur Lösung der oben genannten Probleme die Vorrichtungskombination aus optischer Fertigungsanlage FA und der Filtervorrichtung FV wie beispielsweise in den 1 und 2 vorgeschlagen.
Dabei umfasst die Fertigungsanlage FA nach dem dort gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere den Arbeitsbereich 4, in welchem eine einzubringende Werkstoffschicht 6 mittels des zuvor beschriebenen Fertigungsprozesses bearbeitet und zur Herstellung eines bevorzugt dreidimensionalen Werkstücks genutzt werden kann. Um hierbei gleichermaßen eine für den Fertigungsprozess benötigte bzw. zumindest vorteilhafte Atmosphäre erzeugen zu können, ist der Arbeitsbereich 4 ferner der vorzugsweise vollständig und hermetisch abriegelbaren Prozesskammer P eingelassen, welche den Arbeitsbereich 4 durch die mit 2 gekennzeichneten Prozesskammerwände vollständig umschließt und es somit insbesondere erlaubt, an den Arbeitsbereich 4 herangeführte Prozessgase oder atmosphärische Bedingungen (beispielsweise einen vorbestimmten Druck) innerhalb der Prozesskammer P und somit in der Fertigungsanlage FA aufrecht zu erhalten.
Zur Einführung dieser genannten Prozessgase ist die Fertigungsanlage FA in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dabei mit zwei in die Prozesskammer P eingelassenen und mit 12 und 13 bezeichneten Gaseinlässen ausgestattet, welche über zwei vorzugsweise separate, in weiteren Fällen jedoch auch zusammenhängende oder gar identische Gaseinlassvorrichtungen GV, mit einem Gaskreislauf ǁ_[A1] der Fertigungsanlage FA verbunden sind und es folglich ermöglichen, eine Mehrzahl von vordefinierten Prozessgasströmen in die Prozesskammer P einzuleiten. Das Prozessgas wird bevorzugt kontinuierlich im Kreis zwischen der Prozesskammer und einem Filtersystem zur Aufbereitung des Prozessgases gefördert (Gaskreislauf).
Dabei besitzen die so in den Arbeitsbereich 4 der Fertigungsanlagen FA einführbaren Prozessgasströme in der dargestellten Ausführungsform wichtige Funktionen. Die Hauptaufgabe der Prozessgasströmung ist das Entfernen von Schweißrauch, Kondensat und Schweißspritzern aus der Prozesskammer. Zur Einhaltung des Sauerstoffkonzentration (z.B.: <0,05% Restsauerstoffgehalt) gibt es bevorzugt eine separate Sauerstoffüberwachung und Flutung. Eine weitere Anforderung an die Funktion der Prozessgasführung ist bei maximaler Abfuhr von Kondensat, etc., dass Pulverbett unberührt zulassen, damit kein Pulver in das Filtersystem gefördert wird. Insofern ist zu verstehen, dass die Flusseigenschaften der einzuführenden Prozessgase (bspw. das Flussprofil, Geschwindigkeiten, Ausmaße des Prozessgases etc.) in der vorliegenden Erfindung sowohl für die momentane (Vorlegen des Prozessgases) als auch für die langzeittechnische Qualitätssicherung des Fertigungsprozesses von Bedeutung sind.
Darüber hinaus können sich gleichermaßen auch die durch die beiden Gaseinlässe 12 und 13 einzuführenden Prozessgasströme grundsätzlich voneinander unterscheiden.
3 zeigt zu diesem Zweck eine schematische Darstellung der durch die Gaseinlässe 12 und 13 in die Prozesskammer P eingelassenen Strömungsprofile. So wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel beispielsweise durch den Gaseinlass 12 ein erster, im Verhältnis zum zweiten Gaseinlass 13 stärkerer Prozessgasstrom, auch Primärprozessgasstrom F1 genannt, erzeugt, welcher aufgrund der nahe des Bodens der Prozesskammer P positionierten Gaseinlasses 12, primär entlang der mit A1 gekennzeichneten Grundfläche des Arbeitsbereiches 4 geführt wird und somit vorrangig ein Volumen in der Umgebung der Werkstoffschicht 6 einnehmen kann. Dies besitzt insbesondere den Vorteil, dass bereits durch den nahe der Werkstoffschicht 6 positionierten Primärprozessgasstrom F1 das Entfernen (bzw. Absaugen) von Schweißrauch und Schweißspritzern unmittelbar nach der Entstehung möglich wird.
Insofern bildet der Primärprozessgasstrom F1 in der vorliegenden Erfindung zunächst eine Hauptströmung, mit der ein Großteil der anfallenden Prozessrückstände, wie Schweißrauch, Kondensat und Schweißspritzer, abgetragen werden kann.
Der aus dem zweiten Gaseinlass 13 eingeführte Sekundärprozessgasstrom F2 kann sich hingegen derart von dem zuvor beschriebenen Primärprozessgasstrom F1 unterscheiden, dass ersterer insbesondere möglichst flächig, das heißt vorzugsweise über die gesamte, zumindest jedoch über einen oberen Anteil A2 der Prozesskammer P hinweg erstrecken kann, wodurch gleichermaßen etwaige nicht durch den Primärprozessgasstrom F1 erreichbaren Rückstände, beispielsweise nach oben aufsteigender Schmauch, effizient von dem Sekundärprozessgasstrom F2 erfasst werden. Insofern bilden die beiden in die Prozesskammer P eingelassenen Prozessgasströme F1 und F2 in der vorliegenden Erfindung somit zwei voneinander zu unterscheidende und vorzugsweise zur Erfüllung verschiedener Aufgaben eingerichtete Flussprofile aus, wodurch der Vorteil generiert wird, dass durch selektive Anpassung eines jeden der oben genannten Ströme, eine individuelle Verbesserung des durch diese erzeugten Partikelreinigungsmechanismus' realisiert werden kann.
Zur erneuten Entnahme der zuvor beschriebenen Prozessgasströme F1 und F2 ist die Prozesskammer P zudem gleichermaßen mit einem den Gaseinlässen 12 und 13 gegenüberliegend positionierten Gasauslass 11 ausgestattet, welcher es insbesondere ermöglicht, die Primär- und Sekundärprozessgasströme F1 und F2 aus der Prozesskammer P herauszuführen und somit ebenfalls die durch besagte Gasströme erfassten Werkstoffpartikel aus dem Arbeitsbereich 4 der Fertigungsanlage FA zu entnehmen. Zu diesem Zweck kann der Gasauslass 11 vorzugsweise auch mit einem vordefinierten Unterdruck ausgestattet sein, welcher es der Fertigungsanlage FA insbesondere erlaubt, eine voreingestellte Menge an Prozessgas pro Zeiteinheit aus der Prozesskammer P herauszunehmen und somit vorzugsweise die Prozessgaskonzentration in dem Arbeitsbereich 4 auf einem konstanten Level zu halten. In weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen kann es zudem auch möglich sein, dass der Gasauslass mit einem Wiederverwertungssystem gekoppelt ist, in welchem das aus der Prozesskammer herausgeführte Prozessgas gereinigt und daraufhin erneut in den Gaskreislauf der zuvor genannten Gaszuführungsvorrichtung GV eingespeist werden kann.
Um darüber hinaus das Flussprofil des Sekundärprozessgasstroms F2 noch weiter zu verbessern, ist in dem in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Fertigungsanlage, der Gaseinlass 13 mit einer bevorzugten Ausführungsform der ebenfalls beanspruchten Filtervorrichtung FV ausgestattet. Entsprechend wird in der vorliegenden Darstellung zumindest der bereits gezeigte Sekundärgasstrom F2 mittels der Filtervorrichtung FV ausgebildet bzw. durch diese genauer definiert.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann es jedoch auch möglich sein, dass auch weitere Gaseinlässe, wie etwa der Gaseinlass 12 mit einer Filtervorrichtung FV ausgestattet sein können, sodass sich die Positionierung letzterer nicht nur auf dieses eine Ausführungsbeispiel beschränken muss.
Dabei ist die Filtervorrichtung FV in dem vorliegenden Fall insbesondere in der Seitenwand 2' der Prozesskammer integriert ausgebildet. Genauer bildet in dem vorliegenden Fall die integrierte Filtervorrichtung FV die zumindest eine Seitenwand 2' der Prozesskammer P nach der Integration in die Prozesskammer P insbesondere selbst aus, sodass die Filtervorrichtung FV als integraler Bestandteil der dargestellten Fertigungsanlage FA angesehen werden kann. Dies besitzt folglich insbesondere den Vorteil, dass durch die äußerst große Wirkungs- bzw. Gaseinlassfläche der Filtervorrichtung FV, ein besonders flächiges Prozessgasprofil erzeugt werden kann, welches gleichermaßen, aufgrund des direkten Kontakts zum Arbeitsbereich 4, möglichst ungehindert in die Prozesskammer P zu leiten ist.
Funktionell setzt sich die dargestellte Filtervorrichtung FV zudem in der dargestellten Ausführungsform explizit aus der bereit zuvor beschriebenen Drei-Elemente-Form zusammen: Ein Filterelement 18 ist zwischen zwei perforierten Platten 14 und 16, hier als Lochplatten dargestellt, positioniert, welches, äquivalent zu den besagten Lochplatten, die Größe der Seitenwand 2' einnimmt und somit über die gesamte Seitenwand 2' hinweg funktional ausgebildet ist. Dabei ist im vorliegenden Fall das Filterelement 18 insbesondere als ein wechselbares Filtergewebe, etwa ein zumindest zweidimensionales Filtervlies, mit einer vordefinierten mechanischen Porung der Porengröße M sowie einer Filterbreite der Länge D3 ausgestaltet, welches es ermöglicht, in Abhängigkeit von den zuvor genannten Merkmalen des Filterelements 18, sowohl in die Filtervorrichtung FV gelangende Prozessrückstände in das Filtergewebe aufzunehmen, als auch, aufgrund der diffusiven Eigenschaften der in dem Filterelement eingebetteten Porungen, das durch die Filtervorrichtung FV durchströmende Prozessgas effizient zu homogenisieren. Entsprechend ist das Filterelement 18 bzw. das durch dieses umfasste Filtergewebe in der vorliegenden Erfindung insbesondere derart eingerichtet, dass es aufgrund spezifisch angepasster Merkmale (etwa die oben genannte Porengröße M, die Filterbreite D3, jedoch auch weiteren Eigenschaften, wie zum Beispiel die Dichte des Filtergewebes) die oben genannten Doppelaufgabe ausführen und somit sowohl als homogenisierter, als auch als effizienter Partikelfilter fungieren kann. Zu diesem Zweck kann beispielhaft zumindest die Porengröße M des Filterelements 18 kleiner als die Partikelgröße des verwendeten Werkstoffes gewählt worden sein. Zudem ist es ebenfalls möglich, dass das Filterelement 18 mit einem bestimmten, vordefinierten Porungsmuster ausgestattet ist, welches die Homogenisierung eines durchströmenden Gases favorisiert.
Die perforierten Platten 14 und 16 der Filtervorrichtung FV sind darüber hinaus in der dargestellten Form flächig mit dem Filterelement 18 kontaktiert. Insofern bildet die Filtervorrichtung FV im vorliegenden Fall eine geradlinige Fluidkammer aus, in welcher sowohl das Filterelement 18, als auch die beiden perforierten Platten 14 und 16 parallel zueinander und insbesondere orthogonal zu dem in den Arbeitsbereich einzuführenden Prozessgasstrom ausgerichtet sind, wodurch eine besonders gleichmäßige Verteilung des Prozessgases erreicht und das Auftreten nachteiliger Scherkräfte effektiv verhindert werden kann.
Die erste, zur Prozesskammerinnenseite ausgerichtete und gleichermaßen als solche fungierende perforierte Platte 14 besitzt dabei ferner die Breite D1 und ist mit vordefinierten Perforierungen L1, etwa eingestanzte Lochungen, ausgestattet, welche es der perforierten Platte 14 erlaubt, das zuvor durch das Filterelement 18 homogenisierte Prozessgas flussab aufzufächern und so vorzugsweise direkt in die Prozesskammer P einzuleiten. Dabei sind die oben genannten Eigenschaften der perforierten Platte 14 vorzugsweise zumindest an die bereits zuvor beschriebenen Merkmale des Filterelements 18 (etwa der Porengröße M und die Filterbreite D3) angepasst, sodass der durch das Filterelement 18 an die perforierte Platte 14 gelangende Prozessgasstrom vorzugsweise optimal bearbeitet werden kann.
Die zweite stromauf des Filterelements 18 positionierte perforierte Platte 16 besitzt ferner gleichermaßen eine vordefinierte Breite D2 sowie Perforierung L2, welche sich von denen der ersten perforierten Platte 14 unterscheiden, in bestimmten Ausführungsbeispielen jedoch auch übereinstimmen können. Dabei fungiert die zweite perforierte Platte 16 im gegebenen Fall insbesondere als vorangestelltes und mit dem Gaszuführungssystem (nicht gezeigt) der zuvor beschriebenen Gaszufuhrvorrichtung GV verbundenes Auffächerungselement, durch welches das durch die Gaszufuhrvorrichtung GV bereitgestellte Prozessgas erstmals auf die Filtervorrichtung FV auftrifft und dieses durch die Perforierungen L2 möglichst flächig entlang des Filterelements 18 verteilt.
Insofern sehen die Wechselwirkungsprozesse innerhalb der vorliegenden Filtervorrichtung FV zunächst vor, dass ein bestimmter durch die Gaszufuhrvorrichtung GV bereitgestellter Prozessgasstrom auf die mit der Gaszufuhrvorrichtung GV (bzw. dessen Gaszuführungssystem) verbundene perforierte Platte 16 auftrifft und durch diese aufgrund der Wechselwirkungen an den vorliegenden Perforierungen L2, homogenisiert wird. Der Prozessgasstrom gelangt daraufhin zu dem Filterelement 18 (welches bevorzugt ein Filtervlies ist), welches den Prozessgasstrom weiter homogenisiert, sodass nach dem Austreten aus dem Filterelement ein vorzugsweise gleichmäßiges Gasflussprofil erzeugt wird. Das weitere Hindurchströmen des homogenisierten Gases durch die perforierte Platte 14 weitet zudem das zuvor beschriebene Gasflussprofil noch einmal auf, sodass letztlich der vorzugsweise die gesamte Prozesskammer ausfüllende (Sekundär-)Prozessgasstrom in dem Arbeitsbereich 4 geleitet werden kann. Die Hauptaufgabe des Filterelements 18 während des Bauprozesses ist somit die Homogenisierung der Prozessgasströmung. Dabei strömt das Prozessgas durch das Filterelement hindurch, entlang einer ersten Richtung. Weiters wird das Filterelement auch als Filter bzw. Schutz vor Vermischungen mit Pulverrückständen eingesetzt, und zwar beim Auspacken (Auspackprozess) des Werkstücks bzw. Baujobs. Somit wird entlang einer zweiten Richtung, welche bevorzugt der ersten Richtung entgegengesetzt ist, ein Blockieren/Filtern der Partikel bewirkt. Da beim Auspackprozess Pulver aufgewirbelt werden kann, soll durch das Filterelement 18 verhindert werden, dass das Pulver bspw. aus der Prozesskammer in den Bereitstellungsbereich (insbesondere Gaskreislauf, Kasten etc.) der Sekundärströmung gelangt. Das Filterelement 18 ist somit als eine Art Membran vorgesehen. Das Prozessgas wird durch die eine Seite des Filterelements 18 (i.e. die der Prozesskammer abgewandte Seite) hindurchgelassen (mit dem Vorteil der Homogenisierung der Strömung bei der Einleitung in die Prozesskammer), und zusätzlich, beim Auspackprozess, kann aus der entgegengesetzten Richtung (i.e. aus der Prozesskammer heraus und somit durch die Seite die der Prozesskammer zugewandt ist) kein Pulver in die Zuführelemente/-kästen der Sekundärströmung gelangen, da diese durch das Filterelement 18 blockiert werden.
Insofern ist ersichtlich, dass die vorliegende Filtervorrichtung ein Vorrichtungssystem mit mehreren voneinander abhängigen und aneinander angepassten Vorrichtungselementen ausbildet, welche, aufgrund der multifunktionalen Eigenschaften besagter Vorrichtungselemente, das Generierung eines an den Arbeitsbereich 4 ausgerichteten und selektiv justierbaren Prozessgasstroms ermöglichen und somit, im Vergleich zum Stand der Technik, verbesserte atmosphärische Bedingungen innerhalb der zu nutzenden Prozesskammer P schaffen.
Die 4 und 5 zeigen zudem ein weiteres Ausführungsbeispiel der beanspruchten Fertigungsanlage FA. Dabei unterscheidet sich die in diesen Figuren darstellte Ausführungsform insbesondere derart von der in den 1 bis 3 gezeigten Fertigungsanlage, dass die perforierten Platten 14 und 16 in diesem Fall nicht mit einer über die gesamte Platte hinweg ausgebildeten Perforierung ausgestattet sind, sondern sich besagte Perforierungen insbesondere räumlich unterscheiden. So besitzt beispielsweise die perforierte Platte 14 in diesem Fall eine erste, in der unteren Hälfte der perforierten Platte 14 ausgebildete und mit L1 bezeichnete Perforierung L1, wohingegen die obere Hälfte der Platte mit einer zweiten Perforierung L4 ausgestattet ist. Hierbei können sich die beiden Perforierungen L1 und L4 insbesondere in der eingesetzten Lochgröße, der Verteilung der Lochungen, deren Dichte oder aber auch in der Breite der eingesetzten Platte unterscheiden, wodurch insbesondere der Vorteil generiert wird, dass das durch die perforierte Platte 14 erzeugte Prozessgasflussprofil noch selektiver (d.h. durch Kombination verschiedener, räumlich getrennter Eigenschaften der perforierten Platte 14) angepasst werden kann.
Darüber hinaus kann es zudem ebenfalls möglich sein, dass ein Teil der perforierten Platte überhaupt keine Perforierungen aufweist. So ist beispielsweise in 4 gezeigt, dass die perforierte Platte 16 der dargestellten Filtervorrichtung FV einen oberen Anteil enthält, in welchen gar keine Perforierungen eingelassen wurden, sodass der durch die Gaszufuhrvorrichtung GV in die Filtervorrichtung FV einzuführende Prozessgasstrom lediglich durch einen unteren Anteil der perforierten Platte 16 in die Filtervorrichtung FV gelangen kann. Entsprechend wird in dem vorliegenden Fall durch eine selektive lokale Aussparung etwaiger Perforierung oder anderer Merkmale innerhalb der Filtervorrichtung FV, ein effizienter Gaszufluss generiert, welcher die Effektivität der Filtervorrichtung FV noch weiter erhöhen kann.
Ferner zeigen die 4 und 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der mit der Filtervorrichtung FV verbundenen bzw. diese integrierenden Gaszufuhrvorrichtung GV. Genauer zeigen die oben genannten Figuren einen Anteil des die Gaszufuhrvorrichtung GV umfassenden Gaszuführungssystems, welches in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als flächig ausgebildete Flusskammer 20 realisiert wurde. Dabei ist die Größe der beschriebenen Flusskammer 20, insbesondere in der Nähe der Filtervorrichtung FV, an die Größe der Filtervorrichtung FV angepasst und beträgt vorzugsweise die gleichen Ausmaße, wie die mit dieser kontaktierten perforierten Platte 16. Diese äußerst flächige Ausgestaltung des Gaszuführungssystems besitzt insofern insbesondere den Vorteil, dass der in die Filtervorrichtung FV einzuführende Prozessgasstrom bereits vor Eintreten in die perforierte Platte 16 breit gestreut und somit flächig in die Filtervorrichtung FV eingelassen werden kann. Darüber hinaus wird so ein übermäßig großer Druckaufbau innerhalb des Gaszuführungssystems vermieden.
Um darüber hinaus das zu nutzende Prozessgas bereitstellen zu können, ist das dargestellte Gaszuführungssystem über eine Verbindungsöffnung 22 ferner mit einem Gaskreislauf (welcher bevorzugt ein internes Filtersystem zum Aufbereiten des Prozessgases und eine Pumpe zur Förderung des Prozessgases aufweist) verbunden. Zudem ist in der dargestellten Fluidkammer eine vor die Verbindungsöffnung 22 positionierte Stoppwand (nicht dargestellt) angebracht, auf welche das in die Fluidkammer einströmende Prozessgas zunächst nach Ausgabe aus dem Gaskreislauf trifft und somit etwaige Verwirbelungen des zu nutzenden Prozessgasstroms bereits innerhalb des vorliegenden Gaszuführungssystem effektiv vermindern können.
Um zudem den Einlass des Prozessgases weiterhin effizient steuern zu können, kann die Gaszufuhrvorrichtung GV, wie bereits oben genannt, weiterhin zumindest eine Steuerungsvorrichtung zur Anpassung der Eigenschaften des durch den Gaskreislauf einzuführenden Prozessgases umfassen. Insofern kann die Gaszufuhrvorrichtung zu diesem Zweck insbesondere eingerichtet sein, die Eigenschaften des aus dem Gaskreislauf geführten Prozessgases, insbesondere die Flussgeschwindigkeit, den Druck oder die Bestandteile des Prozessgases, an die Begebenheiten der Filtervorrichtung bzw. allgemein den Eigenschaften der Fertigungsanlage anzupassen, sodass auch durch die Adjustierung der Gaszufuhrvorrichtung GV, eine weitere selektive Steuerung des zu generierenden Prozessgasflussprofils realisiert werden kann.
6 zeigt zudem erneut ein zweidimensionales Querschnittsprofil der bereits in den 4 und 5 dargestellten Filtervorrichtung FV.
Wie hierbei zu sehen ist, bilden auch in diesem Fall die beiden perforierten Platten 14 und 16 sowie das Filterelement 18 eine parallel zueinander und orthogonal zur Prozessgasflussrichtung orientiertes Vorrichtungssystem, sodass der Prozessgasstrom möglichst effizient von der Fluidkammer 20 durch die Filtervorrichtung FV in die Prozesskammer P geleitet werden kann. Darüber hinaus bietet die klammerartige Positionierung der beiden perforierten Platten 14 und 16 die Möglichkeit, das Filterelement 18 insbesondere auch besonders einfach auswechselbar zu gestaltet.
So kann beispielsweise in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das als Filtergewebe ausgebildete Filterelement 18 lediglich in den Hohlraum zwischen den beiden perforierten Platten 14 und 16 eingeführt und zur Anpassung etwaiger Prozesseigenschaften, wieder aus dieser entnommen werden. Die perforierten Platten 14 und 16 dienen somit also sowohl als Element zur Fluidbearbeitung des einzuführenden Prozessgasstroms, als auch als Haltevorrichtung des austauschbaren Filterelements 18, wodurch ein äußerst einfaches und kostengünstiges Austauschverfahren des Filterelements 18 ermöglicht werden kann. Insofern ist es beispielsweise möglich, dass ein Bearbeiter zum Austausch des oben genannten Filterelements 18, lediglich die Prozesskammer P über eine vorgelegte Tür oder eine bewegbare Wand, wie etwa in 1 sinnbildlich gezeigt, öffnen und ein genutztes Filterelement manuell zwischen den perforierten Platten 14 und 16 entfernen oder ein neu zu nutzendes Filterelement in dieses einfügen kann, sodass das Filterelement 18 schnell und effizient ausgetauscht werden kann. In weiteren Ausführungsbeispielen kann es zudem auch möglich sein, dass auch andere Vorrichtungselemente der Filtervorrichtung FV, wie etwa die perforierten Platten 14 und 16 austauschbar ausgebildet sein können, sodass die Filtervorrichtung FV vorzugsweise auch in Gänze modular ausgebildet sein kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, gemäß 7, welches auf einem oder einer Kombination der vorhin genannten Ausführungsbeispiele basiert, wird eine weitere Verbesserung der beschriebenen Vorrichtung und des Herstellungsverfahrens erreicht, und zwar durch eine vorteilhafte Anpassung der Sensorik zur Erfassung der Prozessparameter und/oder der Gaseigenschaften.
In bekannten Systemen ist die Sensorik (insbesondere die Sauerstoffsensoren), direkt in der Prozesskammer positioniert und somit dem Schweißrauch, Kondensat und Pulver ausgesetzt, wodurch nicht nur die Lebensdauer der Sensorik reduziert wird, sondern auch die Prozesssteuerung mit der Zeit ungenauer und die Bauteilgüte schlechter werden kann.
Daher wird in einer Weiterbildung in 7 der beschriebenen Vorrichtung vorgeschlagen, die Sensorik (bevorzugt mit einen oder mehreren der Sensoren S1, S2, S3) stromauf des Filterelements 18 (bezogen auf die Strömungsrichtung während der Herstellung eines Bauteils) und/oder stromauf (bezogen auf die Strömungsrichtung während der Herstellung eines Bauteils) der perforierten Platten 16 anzuordnen. Die Sensorik kann daher bevorzugt in der Fluidkammer 20 angeordnet sein. Besonders vorteilhaft hat sich dabei die Anordnung von zumindest zwei Sensoren S1 und S2 gegenüberliegend zueinander und an der Oberseite der Fluidkammer 20 und eines weiteren Sensors S3 an einer Seitenwand der Fluidkammer erwiesen.
Besonders vorteilhaft wird die Sensorik an der Oberseite (an der oberen Abdeckung) der Fluidkammer 20 angeordnet. Alternativ können die Sensoren auch an der Oberseite und an einer Seitenfläche der Fluidkammer 20 angeordnet sein. Durch diese Anordnung ist es daher möglich, das zugeführte Gas, welches durch die Fluidkammer 20, durch das Filterelement 18 in die Prozesskammer P geleitet wird, sehr präzise zu erfassen, um beispielsweise den Sauerstoffgehalt und/oder Feuchtigkeitsgehalt zu bestimmen.
In einer Weiterbildung lässt sich durch die an (oder in) der Fluidkammer 20 angeordnete Sensorik auch der Gasdruck bestimmen. Wie in 7 dargestellt, ist dabei die Filtervorrichtung FV (mit zumindest einer perforierten Platte 16 und dem Filterelement 18) als Teil einer Wand der Fluidkammer 20 und gleichzeitig als Teil einer Wand der Prozesskammer P ausgebildet.
Die Positionierung der ersten Sensorik (teilweise oder bevorzugt vollständig) in der Fluidkammer 20 (Gaseinlasskasten) und somit von der Prozesskammer aus betrachtet hinter dem Filterelement (und insbesondere hinter dem Filtervlies bzw. der Membran) ermöglicht eine Steigerung der Lebensdauer der Sensorik und gleichzeitig eine optimierte/genauere Prozesssteuerung. Optional kann zusätzlich eine zweite Sensorik in der Prozesskammer angeordnet sein.
Somit werden die Sensoren vor den Prozessnebenprodukten geschützt, wodurch eine längere Lebensdauer erzielt werden kann. Neben den Sauerstoffsensoren können dort auch weitere Sensoren wie zum Beispiel Feuchtigkeits- oder auch Drucksensoren (besonders vorteilhaft zumindest ein Sauerstoffpartialdrucksensor und/oder ein Stickstoffpartialdrucksensor) positioniert werden. Somit wird vorgeschlagen, das Filterelement 18 mit einer Mehrfachfunktion zu verwenden, und zwar zur Abschirmung der Sensorik (mit einem oder mehrerer Sensoren S1, S2, S3) vor Verschmutzungen aus der Prozesskammer P (Baukammer) und gleichzeitig als Element welches das Eindringen schädlicher Restpartikel stromauf in die vorgesehene Gaszuleitung (bei fortbestehender Möglichkeit der Gaszuführung) unterbindet, wobei das vorgesehene Verteilungselement gleichzeitig ein möglichst großflächiges und somit hoch qualitatives Gasflussprofil sicherstellt. Zudem wird durch diese Anordnung die erste Sensorik auch beim Auspackprozess vor Verschmutzungen oder Beschädigungen geschützt. Es werden daher während der Fertigung des Bauteils (Werkstücks) anfallende Partikel durch das Filtermedium blockiert und während des Auspackprozesses anfallende Partikel werden durch das Filtermedium ebenso blockiert, um die erste Sensorik zu schützen.
Die vorteilhaft angeordnete (erste) Sensorik kann einen oder mehrere Drucksensoren umfassen. Die Drucksensoren können eingerichtet sein den Prozessdruck zu erfassen und/oder den Filterdifferenzdruck. Weiter vorteilhaft umfasst die Sensorik einen Sensor zur Erfassung des Sauerstoffgehalts in der Prozesskammer und/oder im Bereich des Filters. Zudem kann ein Sensor zur Erfassung des Gasflusses vorgesehen sein. Weiters kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, zur Erfassung des Gastemperatur und/oder des Taupunktes des Prozessgases und/oder der Bauraumtemperatur. Somit ist die erste Sensorik (bevorzugt mit den Sensoren S1, S2, S3) geschützt vor dem Einfluss von Prozessnebenprodukten aus der Prozesskammer hinter der Filtervorrichtung angeordnet. Das in die Prozesskammer P zugeführte Gas wird daher zunächst in die Fluidkammer 20 geleitet, bevor dieses Gas durch die Filterelement 18 in die Prozesskammer P strömt. In der Fluidkammer 20 kann somit eine Erfassung von Prozessgrößen und/oder Gaseigenschaften durch die erste Sensorik erfolgen.
Vorliegende Merkmale, Komponenten und spezifische Details können ausgetauscht und/oder kombiniert werden um weitere Ausführungsformen zu erstellen, in Abhängigkeit des geforderten Verwendungszwecks. Etwaige Modifikationen die im Bereich des Wissens des Fachmanns liegen, werden mit der vorliegenden Beschreibung implizit offenbart.
BEZUGSZEICHENLISTE

2: Prozesskammerwände
6: Werkstoffschicht
4: Arbeitsbereich
8: Beschichter
10: Schutzglas
11: Gasauslass
12; 13: Gaseinlässe
13: Verteilungselement
14; 16: Perforierte Platten
18: Filterelement
20: Flusskammer, Fluidkammer
22: Verbindungsöffnung
A1: Grundfläche
A2: Anteil
D1: Breite
D2: Dicke
D3: Filterbreite
FA: Fertigungsanlage
FV: Filtervorrichtung
L1; L2; L4: Perforierungen, Perforationen
M: Porengröße, Porung
P: Prozesskammer
S1, S2, S3: Sensoren

Claims

Filtervorrichtung (FV) zur Einstellung einer Atmosphäre in einer auf optischen Wechselwirkungen basierenden Fertigungsanlage (FA), insbesondere einer SLM-Anlage, umfassend zumindest eine zur Fertigung eines Werkstücks konfigurierte Lichtquelle, einer Mehrzahl von optischen Elementen zur Steuerung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweges und einer einen Arbeitsbereich (4) der Fertigungsanlage (FA) definierenden Prozesskammer (P), mit: - einem Verteilungselement (13) zur flächigen Einleitung eines Prozessgasstroms in den Arbeitsbereich (4) der Fertigungsanlage (FA), wobei das Verteilungselement (13) zumindest eine perforierte Platte (14; 16) umfasst und; - zumindest ein Filterelement (18) zur Homogenisierung des Prozessgasstroms; wobei, das Filterelement (18) an zumindest einer perforierten Platte (14; 16) des Verteilungselements (13) angeordnet ist; und die Filtervorrichtung (FV) zumindest an einer Wand (2') der Prozesskammer (P) integrierbar ausgestaltet ist.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung (FV) zumindest zwei perforierte Platten (14; 16) umfasst; und zumindest eine der perforierten Platten (14; 16) des Verteilungselements (13) und/oder das Filterelement (18) austauschbar ausgestaltet sind.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (18) ein zur Partikelfiltration eingerichtetes Filtermedium umfasst; wobei das Filtermedium eine Porung (M) mit einer vordefinierte Porengröße aufweist; und die Porengröße des Filtermediums derart ausgestaltet ist, dass: durch das Verteilungselement (13) zu führendes Prozessgas hindurchgelassen wird, und während der Fertigung des Werkstücks anfallende Partikel durch das Filtermedium blockiert werden und/oder während des Auspackprozesses anfallende Partikel durch das Filtermedium blockiert werden.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest Anspruch 3, wobei das Filterelement (18) eingerichtet ist, mittels Anpassung zumindest der Dicke (D3) und/oder der Porengröße des genutzten Filtermediums, den durch das Verteilungselement (13) zu leitenden Prozessgasstrom zu homogenisieren und/oder zu filtern.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filtervorrichtung (FV) zumindest eine erste perforierte Platte (14) und eine zweite perforierte Platte (16) umfasst; wobei die erste perforierte Platte (14) des Verteilungselements (13) als Einlass des Prozessgases in die Filtervorrichtung (FV) ausgebildet ist und die zweite perforierte Platte (16) als Auslass des Prozessgases von der Filtervorrichtung (FV) in die Prozesskammer (P) der Fertigungsanlage (FA) ausgebildet ist; und wobei zumindest die zweite perforierte Platte (16) in der Wand (2') der Prozesskammer (P) integrierbar ausgestaltet ist.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei perforierte Platten (14; 16) des Verteilungselements (13) parallel zueinander ausgerichtet sind, sodass das Verteilungselement (13) eine geradlinige Fluidkammer ausbildet; und wobei das Filterelement (18) einen durch die zumindest zwei perforierten Platten (14; 16) bereitgestellten Hohlraum des Verteilungselements (13) ausfüllt.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verteilungselement (13) eine verstellbare Filteraufnahme zur geführten Positionierung zumindest einer der perforierten Platten (14; 16) und/oder des Filterelements (18) an eine Arbeitsposition an der Filtervorrichtung (FV) umfasst; wobei die Filteraufnahme eingerichtet ist, die zumindest eine perforierte Platte (14; 16) und/oder das Filterelement (18) zur Positionierung an die Arbeitsposition entlang zumindest einer vordefinierten Richtung zu führen und an der Arbeitsposition zu fixieren.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine perforierte Platte (14; 16) eingerichtet ist, mittels Anpassung zumindest der Dicke (D1; D2) und/oder der Größe der in der perforierten Platte (14; 16) befindlichen Perforationen (L1; L2; L4), das Strömungsverhalten des Prozessgasstroms zu variieren.
Die Filtervorrichtung (FV) gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (18) als antistatisches Filtergewebe ausgebildet ist.
Fertigungssystem zur Fertigung eines Werkstücks mit einer auf optischen Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage (FA), insbesondere einer SLM-Anlage, umfassend: - eine auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage (FA) mit zumindest einer zur Fertigung des Werkstücks konfigurierten Lichtquelle, einer Mehrzahl von optischen Elementen zur Steuerung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweges und einer einen Arbeitsbereich (4) der Fertigungsanlage (FA) definierenden Prozesskammer (P); und - zumindest eine Filtervorrichtung (FV) gemäß Anspruch 1; wobei die zumindest eine Filtervorrichtung (FV) an einer Wand (2) der Prozesskammer (P) integriert ausgestaltet ist.
Das Fertigungssystem gemäß Anspruch 10, wobei die auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage (FA) ferner eine Gaseinlassvorrichtung (GV) zur Erzeugung und/oder Einführung eines Prozessgases in den Arbeitsbereich (4) der Prozesskammer (P) umfasst; wobei die Gaseinlassvorrichtung (GV) mit der Filtervorrichtung (FV) fluidtechnisch verbunden ist; und die Gaseinlassvorrichtung (GV) eingerichtet ist, Prozessgas in die Filtervorrichtung (FV) einzuführen und das Prozessgas durch die zumindest eine perforierte Platte (14; 16) der Filtervorrichtung (FV) in den Arbeitsbereich (4) der Prozesskammer (P) einzuleiten.
Das Fertigungssystem gemäß Anspruch 11, wobei die Gaseinlassvorrichtung (GV) eingerichtet ist, die Fließeigenschaft des Prozessgasstroms basierend auf der Beschaffenheit des Verteilungselements (13) und/oder des Filterelements (18) anzupassen.
Das Fertigungssystem gemäß zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die auf optischer Wechselwirkung basierende Fertigungsanlage (FA) einen entlang der Grundfläche des Arbeitsbereiches (4) geführten Primärprozessgasfluss (F1) zum Entfernen von Partikelrückständen an der Grundfläche und einen flächigen Sekundärprozessgasfluss (F2) zum Entfernen von Partikelrückständen in der Prozesskammer (P) umfasst; und wobei der durch die Filtervorrichtung (FV) in den Arbeitsbereich (4) der Fertigungsanlage (FA) eingeführte Prozessgasstrom zumindest den Sekundärgasfluss (F2) ausbildet.
Verfahren zur Einstellung einer Atmosphäre innerhalb einer auf optischer Wechselwirkung basierenden Fertigungsanlage (FA), insbesondere eine SLM-Anlage, umfassend zumindest eine zur Fertigung eines Werkstücks konfigurierte Lichtquelle, einer Mehrzahl von optischen Elementen zur Steuerung eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtweges und einer einen Arbeitsbereich (4) der Fertigungsanlage (FA) definierenden Prozesskammer (P), das Verfahren umfassend zumindest einen der Schritte: - Integrieren einer Filtervorrichtung (FV) gemäß Anspruch 1, an zumindest eine Wand (2') der Fertigungsanlage (FA); - Generieren eines regulierten Prozessgasflusses in den Arbeitsbereich (4) der Prozesskammer durch Einführung eines durch die Filtervorrichtung (FV) geleiteten Prozessgasstroms in die Prozesskammer (P); - Regulieren des Prozessgasflusses durch Anpassen der Beschaffenheit des Verteilungselements (13) und/oder des Filterelements (18) der Filtervorrichtung (FV), insbesondere durch Austauschen des Filterelements (18).
Das Verfahren gemäß Anspruch 14 ferner umfassend zumindest einen der Schritte: - Regulieren des in die Filtervorrichtung (FV) einzuführenden Prozessgasstroms mittels einer Gaseinlassvorrichtung (GV) in Abhängigkeit zur Beschaffenheit des Verteilungselements (13) und/oder des Filterelements (18) der Filtervorrichtung (FV); - Austauschen der zumindest einen, perforierten Platte (14; 16) und/oder des Filterelements (18) vor einem Werkstoffwechsel der Fertigungsanlage (FA), wobei die eingewechselte perforierte Platte (14; 16) und/oder das Filterelement (18) an den eingewechselten Werkstoff angepasst ist.