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Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern durch schichtweises Aufbauen aus Werkstoffpulver durch ortsselektives Verfestigen des Werkstoffpulvers zu zusammenhängenden Bereichen, umfassend einen Prozessraum mit einem Prozessraumboden, der eine Bauplattform für den Aufbau des Formkörpers und eine Pulvereinlassstelle für Werkstoffpulvernachschub von einem Werkstoffpulvervorrat aufweist, eine Pulverzuführeinrichtung mit einem die Pulvereinlassstelle mit dem Werkstoffpulvervorrat verbindenden Pulverförderkanal und einer darin längs angeordneten Pulverförderschnecke zur Förderung von Werkstoffpulver zur Pulvereinlassstelle.
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Um Formkörper aus Werkstoffpulver herzustellen sind verschiedene Verfahren und entsprechende Vorrichtungen im Stand der Technik bekannt, z. B. aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2009 038 165 A1 , deren Inhalt durch Bezugnahme in dieser Anmeldung als aufgenommen gelten soll. Insbesondere ist in dieser Anmeldung die Anwendung von Laserstrahlung zum Verfestigen von Pulver zu Formkörpern sowie die Präparierung von Pulverschichten in einem Prozessraum beschrieben. In der
DE 10 2009 038 165 A1 wird vorgeschlagen, einen Pulverzuführkanal vorzusehen, in dem eine Förderschnecke verläuft. Die Förderschnecke fördert Werkstoffpulver von einem Werkstoffpulvervorrat, typischerweise einem Behälter mit Werkstoffpulver, der über einen Werkstoffpulverzuführkanal mit dem Pulverförderkanal verbunden ist. Pulver aus dem Werkstoffpulverzuführkanal wird von der Förderschnecke durch den Pulverförderkanal gefördert, der sodann von unten her in den Prozessraumboden mündet. In der Praxis hat sich eine solche Pulverzuführeinrichtung als problematisch erwiesen, da nicht selten bei der Förderung Pulver verklumpt. Im ungünstigsten Fall kann die Pulverzuführung stocken oder versagen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Betriebssicherheit der Pulverzuführeinrichtung zu erhöhen.
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Gegenstand der vorlegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern, bei der der Pulverförderkanal in seinem Verlauf entlang der Förderschnecke und in Förderrichtung darüber hinaus bis zur Pulvereinlassstelle keine Knickstelle mit einem Knickwinkel kleiner als 100° aufweist. Sofern ein Knick in dem Pulverförderkanalverlauf vorhanden ist, sollte der Knickwinkel vorzugsweise größer als 120° sein. Es wurde nämlich erkannt, dass die genannten Probleme damit zusammenhängen, dass gemäß der vorbekannten Ausführungsform das Werkstoffpulver in einem in Förderrichtung hinter der Förderschnecke angeordneten Abschnitt des Pulverförderkanals abrupt in Richtung des Prozessraumbodens umgelenkt wird. Aus der Beschreibung sowie den Figuren der
DE 10 2009 038 165 A1 geht die räumliche Lage der Förderschnecke in Bezug auf eine Ausrichtung auf den Prozessraumboden zu oder von diesem weg nicht hervor; in der Praxis ist jedoch in einer dem Anmelder bekannten Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern die Förderschnecke horizontal angeordnet, wobei der Endabschnitt des Pulverförderkanals ohne Förderschnecke in den Prozessraumboden rechtwinklig gegenüber dem Abschnitt des Pulverförderkanals mit der Förderschnecke abgeknickt ist. Dieser Knick bedingt durch seine ungünstigen Strömungsverhältnisse, dass gefördertes Werkstoffpulver an der Innenseite des Knicks gestaucht wird, radial nach außen fließen muss, um das größere Volumen am Außenumfang der Knickstelle zu füllen und anschließend beim Übergang in einen geraden Abschnitt unterhalb der Pulvereinlassstelle eine Gegenbewegung ausführen muss. Insbesondere bei schlecht fließenden Werkstoffpulvern kann dies zu Verklumpung führen, die die genannten Probleme verursacht. Daher ist es vorteilhaft, dass der Pulverförderkanal keine Knickstelle aufweist, deren Knickwinkel kleiner als 100° ist, was bedeutet, dass der Pulverförderkanal eine im Vergleich zum Stand der Technik, insbesondere gegenüber einem Knick mit 90° Knickwinkel, gestrecktere Form haben soll. Es ist dabei auch möglich, einen Knickwinkel von 180° vorzusehen, was eine besonders bevorzugte Ausführungsform ohne einen Knick bedeutet. An der Knickstelle ändert sich die Richtung des Pulverförderkanals abrupt, so dass dort zwei Schenkelabschnitte des Pulverförderkanals unter dem Knickwinkel voneinander abstehen. Die Pulverförderschnecke verläuft vorzugsweise in dem Abschnitt des Pulverförderkanals, in dem sie angeordnet ist, parallel zu diesem Abschnitt. Die Erfindung umfasst, dass eine Längsachse der Förderschnecke parallel zu dem Prozessraumboden oder unter einem Winkel zu dem Prozessraumboden angeordnet sein kann. Die Zuführung von Werkstoffpulver zu dem Prozessraumboden ist dann über einen Pulverförderkanal realisiert, der keine Knickstellen umfasst; insbesondere kann der Kanal zwischen einem in Förderrichtung liegenden Ende der Pulverförderschnecke und der Pulvereinlassstelle in einem langgestreckten Bogen ausgeführt sein. Vorzugsweise fördert die Förderschnecke bei Vorliegen eines Winkels zum Prozessraumboden das Werkstoffpulver an der Förderschnecke zumindest teilweise in Richtung des Prozessraumbodens. Es ist auch denkbar, dass sowohl der Pulverförderkanal als auch die Förderschnecke gekrümmt ausgeführt sind, wobei die Förderschnecke so flexibel ausgeführt ist, dass sie in dem gekrümmten Pulverförderkanal drehbar ist.
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Je nach Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern kann der Prozessraumboden eine Bauplattform aufweisen, die absenkbar ist. Es ist denkbar, dass die Achsen der Förderschnecke sowie des Pulverförderkanals entlang der Förderschnecke bis zur Pulvereinlassstelle senkrecht zu dem Prozessraumboden stehen, so dass eine vertikale Pulverföderung stattfindet. Alternativ und besonders bevorzugt kann eine Schrägstellung des Pulverförderkanals längs der Förderschnecke und in Förderrichtung darüber hinaus bis zur Pulvereinlassstelle gegenüber dem Prozessraumboden vorgesehen sein, die beispielsweise aus baulichen Gründen vorteilhaft sein kann. Insbesondere kann der Winkel zwischen dem Pulverförderkanal entlang der Förderschnecke bis zur Pulvereinlassstelle und dem Prozessraumboden 10° bis 90°, bevorzugt 25° bis 60°, und besonders bevorzugt 45° betragen. Alternativ kann es aus baulichen Gründen vorteilhaft sein, einen Knick mit einem akzeptablen Strömungswiderstand vorzusehen.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist der Pulverförderkanal in seinem Verlauf längs der Förderschnecke und in Förderrichtung darüber hinaus bis zur Pulvereinlassstelle knickfrei ausgeführt. Diese Ausführungsform stellt den kleinstmöglichen Widerstand der Form eines Pulverförderkanals für das Werkstoffpulver in seinem Weg von der Förderschnecke bis zur Einmündung in den Prozessraumboden dar und wird deshalb besonders bevorzugt.
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In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Pulverförderkanal unter einem Winkel zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 25° und 60°, besonders bevorzugt 45°, zum Prozessraumboden in die Pulvereinlassstelle mündet. In Kombination mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform bedeutet dies, dass auch der Pulverförderkanal und die Förderschnecke innerhalb des Winkelbereichs zwischen 10° und 90°, vorzugsweise zwischen 25° und 60°, besonders bevorzugt 45°, zum Prozessraumboden angeordnet sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist ein in Förderrichtung angeordnetes Ende der Förderschnecke nahe der Pulvereinlassstelle angeordnet, insbesondere in einem Abstand von weniger als dem Doppelten des Außendurchmessers der Förderschnecke oder bevorzugt weniger als dem Außendurchmesser der Förderschnecke oder besonders bevorzugt weniger als der Hälfte des Außendurchmessers.
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In einer weiteren Ausführungform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist das in Förderrichtung gelegene Ende der Förderschnecke angelagert ausgeführt. Ungelagert bedeutet dabei, dass keine gesonderte Lagerstelle oder Lagereinrichtung an diesem Ende der Förderschnecke vorgesehen ist. Unter einer Lagerung wird nicht die Führung der Förderschnecke in dem Pulverförderkanal aufgrund einer etwaigen radialen Berührung der Pulverkanalwand oder Schmierwirkung des Werkstoffpulvers zwischen Förderschnecke und Pulverkanalwand im Sinne eines Gleitlagers verstanden. Vorzugsweise ist für die Förderschnecke eine fliegende Lagerung vorgesehen, d. h., dass an dem gegen die Förderrichtung gelegenen Ende der Förderschnecke eine Lagerung vorgesehen ist, in der die Förderschnecke drehbar angeordnet ist. Durch das ungelagerte in Förderrichtung gelegene Ende der Förderschnecke wird der Vorteil erreicht, dass der Werkstoffpulverströmung beim oder nach dem Verlassen der Förderschnecke kein Widerstand dadurch entgegengesetzt wird, dass das Werkstoffpulver um eine Lagerstelle herum geleitet oder der Werkstoffförderkanal abgeknickt sein muss, so dass er nicht mit der Lagerstelle kollidiert. Dadurch wird folglich der Förderdruck erhöht und die Klumpneigung des Werkstoffpulvers verringert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist der Pulverkanal zwischen einem in Förderrichtung angeordneten Ende der Förderschnecke und der Pulvereinlassstelle frei von abrupten Durchmesseränderungen. Mit abrupten Durchmesseränderungen ist hier gemeint, dass sich der Querschnitt des Pulverförderkanals auf einem kurzen Abschnitt in Längsrichtung des Pulverförderkanals so stark ändert, dass die Werkstoffpulverströmung erhebliche Komponenten in Radialrichtung des Pulverförderkanals aufweist. Typischerweise sind solche abrupten Durchmesseränderungen Absätze im Pulverförderkanal oder dergleichen. Besonders schädlich ist es, wenn eine solche abrupte Durchmesseränderung den Pulverförderkanal in Förderrichtung verengt.
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In noch einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern ist an dem Pulverförderkanal ein Pulverzuführkanal angeschlossen, dessen Mittenachse quer, insbesondere senkrecht zu der Förderschnecke angeordnet ist. Durch die genannte Anordnung wird zwar eine Abknickung des Werkstoffpulverstroms, der aus dem Pulverzuführkanal austritt und auf die dazu querliegende Förderschnecke in dem Pulverförderkanal trifft, erzwungen, jedoch bildet sich dadurch kein erhöhter hydraulischer Widerstand, weil die Förderschnecke das Werkstoffpulver aktiv aus der Knickstelle abtransportiert. Somit liegen an dieser Stelle gänzlich andere Strömungsverhältnisse als bei einer frei durchströmten Knickstelle vor. Die Anordnung ist vorteilhaft, weil an dem gegen die Förderrichtung gelegenen Ende der Förderschnecke typischerweise ein Antriebsmotor oder eine Riemenscheibe oder dergleichen angeschlossen ist, deren Durchmesser deutlich größer als der Durchmesser der Förderschnecke selbst ist. Eine möglicherweise strömungsgünstigere axiale Zuführung von Werkstoffpulver zu der Förderschnecke ist daher häufig schwierig. Zudem steht das Werkstoffpulver an dieser Stelle noch nicht unter Förderdruck.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern weist der Pulverförderkanal eine verschließbare Pulverentleerungsöffnung auf. Dies kann beispielsweise für eine Entleerung des Pulverförderkanals bei einem Pulverwechsel hilfreich sein. Die Förderschnecke läuft dabei vorzugsweise rückwärts oder wird aus dem Pulverförderkanal entnommen. Die verschließbare Pulverentleerungsöffnung ist vorzugsweise an einer möglichst weit unten liegenden Stelle des Pulverförderkanals, besonders bevorzugt an dessen tiefster Stelle, angeordnet, so dass möglichst wenig oder keine Reste in tiefer gelegenen Regionen des Pulverförderkanals verbleiben. Besonders bevorzugt liegt die Pulverentleerungsöffnung dem Anschluss des Pulverzuführkanals an den Pulverförderkanal in Bezug auf die Förderschnecke gegenüber, so dass auch der Pulverzuführkanal über die Pulverentleerungsöffnung auf einfache Weise entleert werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Pulverzuführeinrichtung gasdicht, insbesondere gegenüber Schutzgas, ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern sind mehrere Pulverzuführeinrichtungen vorgesehen. In einem Ausführungsbeispiel können mehrere Werkstoffpulvervorräte, mehrere Pulverzuführkanäle, mehrere Pulverförderkanäle mit entsprechenden Pulverförderschnecken und dazugehörigen Antrieben sowie mehrere Pulvereinlassstellen vorgesehen sein. In Varianten können einzelne der genannten Komponenten weggelassen sein, wobei andere der genannten Komponenten die Funktion der weggelassenen Komponenten übernehmen können. Beispielsweise kann ein Werkstoffpulvervorrat alle Pulverförderkanäle mit Werkstoffpulver versorgen. Auch ist es denkbar, dass nur ein einzelner Pulverförderkanal mit einer Pulverförderschnecke und Antrieb vorgesehen ist, der in einer ersten Variante von mehreren Werkstoffvorräten gespeist wird, während er in einer weiteren Variante mehrere Pulvereinlassstellen versorgt, wobei sich vorzugsweise der Pulverförderkanal verzweigt. Weitere Varianten und Kombinationen sind denkbar.
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Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in der Figur im Anhang dargestellt ist. Es zeigen:
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1 ein Detail einer Ausführungform der Vorrichtung zur Herstellung von Formkörpern in einem Querschnitt;
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2 schematisch eine Darstellung einer Knickstelle des Pulverförderkanals, die nicht die Erfindung verwirklicht, und
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3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Knickstelle des Pulverförderkanals.
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Das in 1 gezeigte Detail der Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Herstellung von Formkörpern betrifft die Pulverzuführeinrichtung. Ein Pulverförderkanal 2, in dem eine Pulverförderschnecke 3 angeordnet ist, mündet an einer Pulvereinlassstelle 4 in einem Prozessraumboden 5. Das zu der Pulvereinlassstelle 4 gerichtete Ende der Förderschnecke 3 ist ungelagert und erstreckt sich bis nahe zu dem Prozessraumboden 5. Ungelagert bedeutet in diesem Fall, dass an dem zu der Pulvereinlassstelle 4 gerichteten Ende der Förderschnecke 3 kein gesondertes Lagerelement vorsehen ist. Der Außendurchmesser der Förderschnecke 3 ist unwesentlich kleiner als der Innendurchmesser des Pulverförderkanals 3. Die Mittelachsen M des Pulverförderkanals sowie der Förderschnecke fallen zusammen. In der Nähe des der Förderrichtung F entgegengerichteten Endes der Förderschnecke 2 ist ein Pulverzuführkanal 6 angeordnet, durch den Werkstoffpulver aus einem Werkstoffpulvervorrat zu der Förderschnecke 2 zuführbar ist. Das Werkstoffpulver durchtritt den Pulverzuführkanal 6 wenigstens teilweise durch die Wirkung der Schwerkraft S. Der Durchmesser des Pulverzuführkanals 6 ist größer als der Durchmesser des Pulverförderkanals 2, vorzugsweise beträgt er das zwei- bis dreifache des Durchmessers des Pulverförderkanals 2. Dem Pulverzuführkanal 6 ist in Bezug auf die Mittelachse der Förderschnecke M gegenüberliegenden Seite des Pulverförderkanals eine Pulverentleerungsöffnung 7 vorgesehen. Die Pulverentleerungsöffnung 7 ist verschließbar ausgeführt, und insbesondere gasdicht verschließbar ausgeführt. Das der Förderrichtung F entgegengerichtete Ende der Förderschnecke 2 ist in einer Lagereinheit 8 drehbar gelagert. Die Lagereinheit 8 weist vorzugsweise eine Dichtungseinrichtung auf, die in der Lagereinheit 8 angeordnete Lager vor Werkstoffpulver schützt sowie bevorzugt die Gasdichtigkeit des Pulverförderkanals gegenüber einem Gasaustritt, insbesondere von Schutzgas, über die Lagereinheit 8 sicherstellt. Vorzugsweise weist die Lagereinheit 8 ein Radiallager und ein Axiallager auf. Letzteres nimmt insbesondere Axialkräfte der Förderschnecke auf. Die Lagereinheit bildet eine fliegende Lagerung für die Förderschnecke 3. In Gegenrichtung zu der Förderrichtung F ist hinter der Lagereinheit 8 eine Riemenscheibe 9 vorgesehen, die verdrehfest an der Förderschnecke 2 befestigt ist. Vorzugsweise ist die Riemenscheibe 9 eine Zahnriemenscheibe. Die Riemenscheibe 9 ist vorzugsweise mit einem Elektromotor, insbesondere einem Getriebemotor, verbunden, wobei der Elektromotor vorzugsweise als Servomotor oder Schrittmotor ausgeführt ist.
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Die Mittelachse M ist unter einem Winkel von 45° zu dem Prozessraumboden 5 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das Werkstoffpulver längs des Pulverförderkanals 2 ohne Umlenkung auf den Prozessraumboden 5 zu gefördert werden kann. Dadurch ist es auch möglich, den Pulverzuführkanal 6 seitlich neben einer schematisch dargestellten Prozessraumwand 10 anzuordnen, so dass der Pulverzuführkanal 6 außerhalb eines Prozessraums 11, der von dem Prozessraumboden 5 und der Prozessraumwand 10 begrenzt ist, angeordnet werden kann. Der Pulverzuführkanal 6 ist vorzugsweise gasdicht ausgeführt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Pulverförderkanals 2 mit einer abrupten Knickstelle 12. In dem Pulverförderkanal 2 befindet sich eine schematisch dargestellte Förderschnecke 3. Der Förderkanal bildet durch die Knickstelle 12 zwei Schenkel 13 und 14, die in einem Knickwinkel 15 zueinander angeordnet sind. In der 2 beträgt der Knickwinkel 95°, so dass durch die starke und abrupte Umlenkung des Werkstoffpulverstroms ein hoher Strömungswiderstand erzeugt wird. Die in 2 gezeigte Ausführungsform liegt daher außerhalb der vorliegenden Erfindung. In einer Variante, in der die Knickstelle 12 nicht als scharfer Knick, sondern als ein Bogen mit relativ großem Bogenradius ausgeführt ist, mittels dem die Schenkel 13 und 14 des Pulverförderkanals 2 den selben Knickwinkel 15 wie in der in 2 dargestellten Ausführungsvariante aufweisen, kann der Strömungswiderstand für den Werkstoffpulverstrom von der Förderschnecke 3 soweit verringert sein, dass nicht mehr von einer Knickstelle gesprochen werden kann. Dies ist typischerweise der Fall, wenn sich die Knickstelle 12 durch die Biegung des Pulverförderkanals 2, die zum Vorliegen des Knickwinkels 15 führt, sich entlang der Mittelachse MP des Pulverförderkanals über wenigstens den halben Pulverförderkanaldurchmesser, allerhöchstens aber über einen Pulverförderkanaldurchmesser erstreckt. Dies gilt für die Biegung entlang der Mittelachse MP, deren Länge von den Längen der Biegung an der Pulverförderkanalwand abweicht.
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3 zeigt schematisch einen Abschnitt eines Pulverförderkanals 2 mit einer Knickstelle 12, wobei in dem Pulverförderkanal 2 eine Pulverförderschnecke 3 angeordnet ist. Der Knickwinkel beträgt in diesem Beispiel 135°. Durch die Knickstelle 12 bildet der Förderkanal 2 zwei Schenkel 13 und 14, die unter dem Knickwinkel 15 zueinander angeordnet sind. Durch die trotz der Knickstelle 12 näherungsweise langgestreckte Form des Pulverförderkanals 2 setzt der Pulverförderkanal 2 dem Werkstoffpulverstrom einen nur unwesentlichen Strömungswiderstand entgegen, so dass gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung erzielt wird. Die in der 3 gezeigte Ausführungsform fällt daher in den Bereich der vorliegenden Erfindung. Eine Variante, in der die Knickstelle 12 nicht als scharfe Knickstelle ausgebildet ist, so dass diese nicht mehr als Knickstelle gelten kann, fällt ohnehin in den Bereich der Erfindung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009038165 A1 [0002, 0002, 0004]
