Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine zumindest teilweise gekühlte Vorrichtung zur additiven Fertigung einer dreidimensionalen Struktur (3D-Drucker). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.

Die US 2020/0230700 Al offenbart eine isostatische Presse mit einer Notkühlung. Die Notkühlung basiert auf einem mit Gas gefüllten Reservoir. Im Falle eines Einsatzes der Notkühlung expandiert das Gas und kühlt die Presse - solange Gas im Reservoir verfügbar ist.

Es ist der Anmelderin weiterhin bekannt, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung mit einer Hauptkühlung zu versehen, die auf einem Brauchwasserkreislauf basiert. Die Vorrichtung verfügt darüber hinaus über eine Notkühlung, die mit Frischwasser betrieben wird. Eine solche Notkühlung kann zwar bei Ausfall der Hauptkühlung über einen langen Zeitraum weiterkühlen, allerdings ist der Aufwand zur Installation und zum Betrieb zweier Kühlungen mit verschiedenen Kühlmedien (hier Brauchwasser und Frischwasser) sehr groß.

Aufgabe der Erfindung

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren mit einer konstruktiv besonders einfachen Notkühlung bereit zu stellen. Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Strukturen, wobei die Vorrichtung eine Baukammer, in der die Strukturen fertigbar sind, einen Maschinenrahmen, eine temperaturkritische (wärmeempfindliche) Komponente, eine Hauptkühlung und eine Notkühlung aufweist. Die Hauptkühlung weist einen Hauptkühlkreislauf und eine Hauptpumpe für ein Kühlmedium zur Kühlung der temperaturkritischen Komponente auf. Die Notkühlung weist einen Notkühlkreislauf und eine Notpumpe mit einer eigenständigen (von der Hauptenergieversorgung der Vorrichtung unabhängigen) Energieversorgung, insbesondere in Form einer Spannungsversorgung, für die Notpumpe auf. Der Notkühlkreislauf durchläuft den Maschinenrahmen der Vorrichtung zumindest abschnittsweise, sodass das Kühlmedium Wärme an den Maschinenrahmen abgeben kann.

Durch die erfindungsgemäße Notkühlung entfällt unter Verzicht auf die Frischwasserkühlung ein Großteil der Vorrichtungskomponenten. Die Komplexität und das Gewicht der Vorrichtung werden erheblich reduziert. Die Anzahl der Fehlerquellen wird durch eine geringere Anzahl Kühlmedium-führender Teile verringert. Service und Wartung werden erleichtert.

Die temperaturkritische Komponente kann vom Kühlmedium durchströmbar sein.

Der Maschinenrahmen ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise im Notkühlkreislauf vom Kühlmedium durchströmbar. Der Notkühlkreislauf kann hierzu zumindest einen Kanal, beispielsweise in Form einer Leitung, eines Schlauchs oder eines Rohrs, und/oder zumindest eine Bohrung, aufweisen, durch den Kühlmedium strömbar ist, wobei der zumindest eine Kanal oder die zumindest eine Bohrung zumindest abschnittsweise am Maschinenrahmen entlanggeführt ist. Der Maschinenrahmen kann dabei zumindest eine Nut zur Aufnahme des zumindest einen Kanals aufweisen. Das Rohr kann aus Kupfer ausgebildet sein, um die Wärme mit hohem Wirkungsgrad an den Maschinenrahmen abgeben zu können.

Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum pulverbettbasierten Laserschmelzen ausgebildet. Die Vorrichtung kann zur Herstellung metallischer Strukturen (Laser Metal Fusion; LMF) ausgebildet sein.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung zumindest eine, insbesondere mehrere, temperaturunkritische Komponente(n) auf. Unter einer temperaturunkritischen Komponente wird dabei - im Gegensatz zu einer temperaturkritischen Komponente - eine Komponente verstanden, die ohne aktive Kühlung im regulären Betrieb der Vorrichtung beschädigt wird. Im Bereich der temperaturkritischen Komponente können Maschinenschäden wie beispielsweise der Ausfall einer Dichtung oder der Ausfall eines Schlauchs und dadurch resultierend ein Wasserschaden entstehen. Um die temperaturkritische Komponente in der Notkühlung besser zu schützen, wird/werden die temperaturkriti- sche(n) Komponenten in der Notkühlung vorzugsweise nicht aktiv gekühlt.

Die temperaturunkritische(n) Komponente(n) kann/können vom Kühlmedium durchströmbar sein.

Weiter bevorzugt ist die temperaturkritische Komponente in Form einer Grundfläche in der Baukammer ausgebildet, auf der die Strukturen additiv herstellbar sind, wobei die Vorrichtung im Bereich der Grundfläche eine Heizung zum Erhitzen der Grundfläche auf mehr als 200°C, insbesondere mehr als 300°C, vorzugsweise mehr als 400°C, aufweist.

Die Vorrichtung kann zumindest eine weitere temperaturkritische Komponente, insbesondere mehrere weitere temperaturkritische Komponenten, aufweisen, die im Hauptkühlkreislauf und im Notkühlkreislauf vom Kühlmedium kühlbar ist/sind. Die weitere(n) temperaturkritische(n) Komponente(n) kann/können vom Kühlmedium durchströmbar sein. Eine weitere temperaturunkritische Komponente kann in Form einer Prozesskammer ausgebildet sein, die mit der Baukammer verbunden ist oder in Form einer Aufstandsfläche für die Baukammer ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann dabei dazu ausgebildet sein, einen Laserstrahl durch die Prozesskammer und in die Baukammer zu führen.

Zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des Notkühlkreislaufs kann die Vorrichtung einen Durchflusswächter im Notkühlkreislauf aufweisen.

Eine besonders effektive Kühlung kann aufgrund des dabei auftretenden hohen Temperaturgradienten erreicht werden, wenn die temperaturkritische Komponente dem Maschinenrahmen fluidisch vorgeordnet ist.

Die fluidische Anbindung der temperaturkritischen Komponente(n) an den Hauptkühlkreislauf und/oder den Notkühlkreislauf erfolgt vorzugsweise über ein Hau- prückschlagventil bzw. ein Notrückschlagventil.

Die Vorrichtung kann einen Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlmediums im Hauptkühlkreislauf aufweisen. Der Wärmetauscher kann dazu ausgebildet sein, zusätzlich dazu das Kühlmedium des Notkühlkreislauf zu kühlen.

Zuverlässige Energieversorgung der Notpumpe bei geringem Bauraum kann erreicht werden, wenn die eigenständige Energieversorgung einen Akkumulator aufweist. Die eigenständige Energieversorgung kann mehrere parallel geschaltete Akkumulatoren aufweisen, sodass die Energieversorgung besonders zuverlässig gewährt ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer hier beschriebenen Vorrichtung. Dabei kann das Kühlmedium, insbesondere Brauchwasser, mittels der Notpumpe durch zumindest einen Teil des Maschinenrahmens bewegt werden. Vor Inbetriebnahme des Hauptkühlkreislaufs kann der Notkühlkreislauf überprüft werden, indem die Notpumpe angeschaltet und mittels des Durchflusswächters kontrolliert wird, ob Kühlmedium im Notkühlkreislauf bewegt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur additiven Fertigung einer dreidimensionalen Struktur bzw. eines Werkstücks. Die Vorrichtung 10 weist eine Hauptkühlung 12 und eine Notkühlung 14 auf. Die Hauptkühlung 12 wird über eine Hauptpumpe 16 - die Notkühlung 14 über eine Notpumpe 18 mit eigenständiger Energieversorgung 20 - betrieben.

Die Hauptkühlung 12 und die Notkühlung 14 dienen der Kühlung zumindest einer temperaturkritischen Komponente 22a bzw. weiterer temperaturkritischer Komponenten 22b, 22c, 22d. Die Hauptkühlung 12 kann darüber hinaus der Kühlung zumindest einer temperaturunkritischen Komponente 24a, 24b dienen. Die Hauptkühlung 12 und/oder die Notkühlung 14 kann/können dabei zumindest einen Verteiler 26a, 26b, 26c bzw. Sammler 28a, 28b für Kühlmedium aufweisen.

Ein Wärmetauscher 30, hier mit einem Tank für das Kühlmedium, kann einen Pri- mär-Kühlkreislauf 32 mit einem Sekundär-Kühlkreislauf 34 verbinden, wobei der Primär-Kühlkreislauf 32 einen Zulauf 36 und einen Ablauf 38 aufweisen kann. Bei Betrieb der Vorrichtung 10 mit der (regulären) Hauptkühlung 12 pumpt die Hauptpumpe 16 Kühlmedium, insbesondere Wasser, vorzugsweise Brauchwasser, durch einen Hauptkühlkreislauf 40. Im Falle eines Defekts der Hauptkühlung 12, insbesondere bei Ausfall der Hauptpumpe 16, pumpt die Notpumpe 18 Kühlmedium, insbesondere dasselbe Kühlmedium, durch einen Notkühlkreislauf 42.

Der Notkühlkreislauf 42 versorgt vorzugsweise nur die temperaturkritische Komponente 22a bzw. weitere temperaturkritische Komponenten 22b-d mit Kühlmedium, nicht jedoch die temperaturunkritischen Komponenten 24a, b

Die temperaturkritische Komponente 22a ist vorzugsweise in Form einer Grundfläche in einer Baukammer 44 ausgebildet, auf der die dreidimensionalen Strukturen additiv fertigbar sind. Die Baukammer 44 kann dabei eine Heizung aufweisen, die die Grundfläche auf mehr als 200°C, insbesondere mehr als 300°C, vorzugsweise mehr als 400°C, erhitzen kann. Weitere temperaturkritische Komponenten 22b-d können als Prozesskammerteile oder Aufstandsfläche für die Baukammer 44 ausgebildet sein.

Um die Kühlung der temperaturkritischen Komponente 22a bzw. der weiteren temperaturkritischen Komponenten 22b-d sicherzustellen, wird das Kühlmedium durch einen Maschinenrahmen 46 der Vorrichtung 10 geleitet. Der Maschinenrahmen 46 kühlt vorzugsweise auf zweifache Weise, nämlich einerseits aufgrund seiner großen thermischen Masse als Wärmesenke und andererseits aufgrund seiner großen Oberfläche als Wärmespender gegenüber der Umgebung. Der Maschinenrahmen 46 wird vorzugsweise nach der temperaturkritischen Komponente 22a und/oder den weiteren temperaturkritischen Komponenten 22b-d durchströmt.

Im Notkühlkreislauf 42 kann ein Durchflusswächter 48 vorgesehen sein, um den Betrieb der Notkühlung 14 prüfen zu können.

Die temperaturkritische Komponente 22a kann über ein Notrückschlagventil 50 mit einer Zuleitung des Notkühlkreislaufs 42 und über ein Hauptrückschlagventil 52 mit dem Hauptkühlkreislauf 40 verbunden sein. Die Anbindung erfolgt vorzugsweise - wie gezeigt - T-förmig. Analog dazu können - ebenfalls wie gezeigt, aber aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit Bezugszeichen versehen - die weiteren temperaturkritischen Komponenten 22b-d mit einem Zulauf des Notkühlkreislaufs 42 und einem Zulauf des Hauptkühlkreislaufs 40 verbunden sein.

Bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 54 kann vor Inbetriebnahme der Hauptkühlung 12 die Notkühlung 14 getestet werden. Die Notkühlung 14 kann dabei dadurch getestet werden, dass die Notpumpe 18 in Betrieb genommen und mittels des Durchflusswächters 48 der tatsächliche Fluss des Kühlmediums überprüft wird.

Unter Betrachtung der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend eine Notkühlung 14 für eine Vorrichtung 10, insbesondere in Form einer Vorrichtung zur additiven Fertigung mittels Laser Metal Fusion. Die Vorrichtung 10 weist eine temperaturkritische Komponente 22a und eventuell zumindest eine weitere temperaturkritische Komponente 22b-d, auf, die sowohl an einer Hauptkühlung 12 als auch an einer Notkühlung 14 angeordnet sind, um von einem Kühlmedium aktiv gekühlt zu werden. Die Notkühlung 14 weist eine Notpumpe 18 und einen Maschinenrahmen 46 auf, der zumindest abschnittsweise an einem Notkühlkreislauf 42, und insbesondere auch an einem Hauptkühlkreislauf 40, angeordnet ist. Der Maschinenrahmen 46 stellt die mechanisch notwendige Stabilität der Vorrichtung 10 und in einem Synergieeffekt darüber hinaus eine kühlende Wärmesenke dar. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren 54 zum Betrieb der Vorrichtung 10, bei dem Kühlmedium im Notkühlkreislauf 42 durch den Maschinenrahmen 46 geleitet wird.

Bezuqszeichenliste

10 Vorrichtung

12 Hauptkühlung

14 Notkühlung

16 Hauptpumpe

18 Notpumpe

20 eigenständige Energieversorgung

22a temperaturkritische Komponente

22b-d weitere temperaturkritische Komponente

24a, b temperaturunkritische Komponente

26a-c Verteiler für Kühlmedium

28a, b Sammler für Kühlmedium

30 Wärmetauscher

32 Primär-Kühlkreislauf

34 Sekundär-Kühlkreislauf

36 Zulauf

38 Ablauf

40 Hauptkühlkreislauf

42 Notkühlkreislauf

44 Baukammer

46 Maschinenrahmen

48 Durchflusswächter

50 Notrückschlagventil

52 Hauptrückschlagventil

54 Verfahren