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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auswählen einer bestimmten Fraktion oder Körnung eines Ausgangsmaterials für die additive Herstellung eines Werkstücks. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Herstellung des Werkstücks.
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Das Herstellungsverfahren betrifft vorzugsweise die Herstellung von Bauteilen oder Werkstücken für Strömungsmaschinen aus einer Superlegierung aus einem granularen, insbesondere pulverförmigen Ausgangsmaterial, aus dem das Werkstück lagen- oder schichtweise durch Aufschmelzen von das Pulverbett bildenden Partikeln mit einem Energiestrahl, wie z. B. einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl, aufgebaut wird.
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Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der
EP 1 355 760 B1 bekannt.
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Generative oder additive Herstellungsverfahren sind beispielsweise das Laserauftragschweißen (LMD), insbesondere Laserpulverauftragschweißen, oder das selektive Laserschmelzen (SLM).
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Zur Darstellung eines Bauteiles mittels SLM wird ein Pulverbett üblicherweise mittels eines Laserstrahles gemäß einer vorgegebenen Belichtungsdatei belichtet, wobei Daten vorzugsweise aus einem 3D-CAD-File erzeugt werden. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt (slicing). Im zweiten Schritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abzufahren hat. Ist eine Pulverschicht belichtet, so wird die Bauteilplattform abgesenkt und eine neue Schicht Pulver mittels eines Schiebers, beispielsweise eines Rechens aufgebracht und dann erneut mit dem Laser belichtet.
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Für die genannten Verfahren ist es oft vorteilhaft, für das granulare Ausgangsmaterial, bestimmte Korngrößen, -fraktionen oder Pulverchargen bereitzustellen und/oder auszuwählen. Für einen besonders vorteilhaften, defektfreien additiven Aufbau oder eine entsprechende Herstellung ist es insbesondere zweckmäßig, Feinanteile des zu verarbeitenden granularen Ausgangsmaterials auszusieben oder zu begrenzen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, ebenso die Grobanteile des Ausgangsmaterials für die additive Herstellung auszuschließen. Mit anderen Worten existiert ein Bedarf, die Materialfraktion oder Korn- bzw. Größenverteilung des zu verarbeitenden Ausgangsmaterials für die additive Herstellung auf einen bestimmten, zweckmäßigen Bereich einzugrenzen.
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Beispielsweise können zu große Feinanteile zu Agglomerationen des Pulvers in einem Pulverfördersystem oder – im Fall des LMD-Verfahrens – in der Pulverdüse während des Schweiß- oder Schmelzprozesses führen. Dies kann weiterhin zu Aufbau- oder Strukturfehlern im fertigen Werkstück führen.
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Üblicherweise werden die feinsten Anteile der verwendeten Ausgangsmaterialien oder Metallpulver beispielsweise durch einen teilautomatisierten Prozess ausgesiebt. Dabei können jedoch die entsprechenden Siebe mit der Zeit verstopfen, was den gesamten Prozess der additiven Herstellung verhältnismäßig stark beeinträchtigt und kompliziert.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen eine (vor)bestimmte oder definierte Kornfraktion oder Fraktion von granularem Ausgangsmaterial für oder während der additiven Herstellung, ausgewählt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auswählen einer (Korn-)Fraktion eines granularen Ausgangsmaterials für die additive Herstellung eines Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst eine Zuführung für das granulare, insbesondere pulverförmige, Ausgangsmaterial für das Werkstück. Bei der Zuführung kann es sich um ein Transportsystem handeln, mit der das granulare Ausgangsmaterial vorzugsweise bereitgestellt oder weiteren Komponenten der Vorrichtung zugeführt werden kann.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Separationsbereich, vorzugsweise mit einem Separationsmedium oder einem Separationsfluid. Der Separationsbereich beschreibt vorzugsweise einen räumlichen Bereich der Vorrichtung, in dem, vorzugsweise durch den Betrieb der Vorrichtung, Teile oder Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials voneinander getrennt werden können. Der Separationsbereich ist vorzugsweise vollständig mit dem Separationsfluid, beispielsweise einem Gas oder einer Flüssigkeit, gefüllt. Der Separationsbereich kann ein Bereich sein, in welchem die Schwerkraft auf das granulare Ausgangsmaterial wirkt oder wirken kann.
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Mit dem Ausdruck „Bestandteile“ können vorliegend Einzelteile, einzelne Feststoff-Partikel oder Materialkörner bezeichnet sein.
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In einer Ausgestaltung ist die Zuführung angeordnet und ausgebildet, das granulare Ausgangsmaterial in den Separationsbereich zu bewegen. Dies ist insbesondere zweckmäßig, um das Separationsfluid auf das granulare Ausgangsmaterial wirken zu lassen.
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In einer Ausgestaltung ist der Separationsbereich und/oder das Separationsfluid eingerichtet, d.h. beispielsweise angeordnet und ausgebildet, Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials mit unterschiedlicher Größe, vorzugsweise innerhalb einer Separationslänge voneinander zu trennen. Der Separationsbereich kann sich über die Separationslänge erstrecken.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Selektionseinrichtung zum Selektieren oder Auswählen einer bestimmten Fraktion von granularem Ausgangsmaterial.
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Die Selektionseinrichtung wirkt im Betrieb der Vorrichtung derart mit dem Separationsbereich zusammen, dass über das Separationsfluid und die Selektionseinrichtung eine bestimmte Fraktion des granularen Ausgangsmaterials, insbesondere aus dem bereits separierten Ausgangsmaterial, selektiert oder ausgewählt werden kann.
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Die Vorrichtung kann derart eingerichtet oder ausgebildet sein, dass – über das Separationsfluid und über die Selektionseinrichtung – die bestimmte Fraktion des granularen Ausgangsmaterials, insbesondere aus dem bereits separierten Ausgangsmaterial, selektiert oder ausgewählt werden kann, vorzugsweise im Betrieb der beschriebenen Vorrichtung.
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Dadurch können insbesondere die erfindungsgemäßen Vorteile gelöst und insbesondere ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren maßgeblich verbessert oder vereinfacht werden.
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In einer Ausgestaltung ist der Separationsbereich zwischen der Selektionseinrichtung und der Zuführung angeordnet. Insbesondere kann ein räumlicher Abstand zwischen der Zuführung und der Selektionseinrichtung den Separationsbereich definieren.
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In einer Ausgestaltung ist das Separationsfluid derart gewählt, dass sich die Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials in dem Separationsfluid durch den Einfluss der Schwerkraft, insbesondere größenabhängig, in Richtung der Selektionseinrichtung bewegen.
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Der Ausdruck „Einfluss“ bedeutet in diesem Zusammenhang vorzugsweise, dass, durch die Beschaffenheit des Separationsfluids, beispielsweise seine Viskosität oder Dichte, die Schwerkraft im Betrieb der Vorrichtung tatsächlich auf die granularen oder pulverförmigen Partikel des Ausgangsmaterials wirkt, sofern sich diese in dem Separationsbereich befinden.
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Vorzugsweise bewegen sich die einzelnen Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials unter dem Einfluss der Schwerkraft in dem Separationsfluid nach unten oder sinken zumindest teilweise herab. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere die Schwerkraft genutzt werden, die Bestandteile des Ausgangsmaterials, insbesondere Pulvers voneinander zu trennen und entsprechend der bestimmten Fraktion größenabhängig auszuwählen.
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Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass die genannten Bestandteile nicht vollständig in dem Separationsfluid sedimentieren.
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In einer Ausgestaltung ist das Separationsfluid ein Gas, beispielsweise Luft.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Zuführung eine Transporteinrichtung, beispielsweise ein Transportband für das granulare Ausgangsmaterial, vorzugsweise ein Förderband, welches insbesondere mit variabler Geschwindigkeit betrieben oder bewegt werden kann. Gemäß der Ausgestaltung, in der das Ausgangsmaterial durch Luft gebildet ist, können die Bestandteile mit Vorteil von dem Transportband in den Separationsbereich beschleunigt werden. Alternativ zum Transportband kann ein beispielsweise mit Druckluft betriebenes Rohrsystem für oder als Zuführung herangezogen werden.
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In einer Ausgestaltung ist die Selektionseinrichtung, vorzugsweise relativ zu der Zuführung, beweglich eingerichtet, um die bestimmte Fraktion des granularen Ausgangsmaterials auszuwählen und/oder einzustellen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Vorrichtung zum Auswählen der bestimmten Fraktion vorteilhafterweise in einer Vielzahl von verschiedener Ausgestaltungen angepasst oder eingestellt werden.
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In einer Ausgestaltung ist das Separationsfluid eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein Öl.
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In einer Ausgestaltung ist die Zuführung eingerichtet, das granulare Ausgangsmaterial über oder mittels einer Flüssigkeitsströmung zu bewegen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere zweckmäßig im Zusammenhang mit einem flüssigen Separationsfluid.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung ausgebildet, eine Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung zu verändern, um die bestimmte Fraktion des granularen Ausgangsmaterials auszuwählen und/oder einzustellen. Dies kann beispielsweise über die Leistung einer in der Zuführung angeordneten Pumpe auf einfache Weise geschehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung können Druck und/oder Temperatur des Separationsfluid jeweils über einen verhältnismäßig großen Bereich variieren.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass – durch den räumlichen Abstand zwischen der Zuführung und der Selektionseinrichtung – eine Selektionslänge definiert wird, wobei die Selektionslänge vorzugsweise eine Längsausdehnung des Separationsbereich beschreibt.
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In einer Ausgestaltung weist die Selektionseinrichtung eine Mehrzahl von Kammern, vorzugsweise mindestens drei Kammern, auf, welche zweckmäßigerweise auf einer dem Separationsfluid zugewandten Seite der Selektionseinrichtung geöffnet, also dem Separationsfluid zugänglich sind. Vorzugsweise sind die beschriebenen Kammern in einer Richtung parallel zur beschriebenen Selektionslänge nebeneinander angeordnet, so dass in unterschiedlichen Kammern unterschiedliche Partikelgrößen oder Fraktionen der Bestandteile oder einzelnen Körner des granularen Ausgangsmaterials „gefangen“ oder ausgewählt werden können.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass das Separationsfluid zumindest in der mittleren Kammer durch die Selektionseinrichtung hindurch strömen oder sich hindurch bewegen kann. Über die beiden „seitlichen“ angeordneten Kammern der Selektionseinrichtung kann vorzugsweise das Aussieben ungeeigneter Partikelgrößen erfolgen, wobei zu grobe bzw. große und/oder zu feine bzw. kleine Bestandteile aufgefangen werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung, welche eingerichtet ist, die Größe oder Abmessungen von über die Selektionseinrichtung ausgewählten Bestandteilen des granularen Ausgangsmaterials zu bestimmen. Diese Ausgestaltung ist insbesondere besonders vorteilhaft, da durch die Sensoreinrichtung und/oder eine Auswerteeinheit eine Regelung der Vorrichtung oder eines entsprechenden Betriebsverfahrens (siehe unten) auf einen bestimmten Sollwert für die bestimmte Fraktion durchgeführt werden kann.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung einen optischen Sensor.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Sensoreinrichtung eine Lichtquelle.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine, beispielsweise computergesteuerte, Auswerteeinheit zum Auswerten einer ausgewählten und/oder gemessenen (bestimmten) Fraktion des granularen Ausgangsmaterials.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung ausgebildet, insbesondere über die Selektionseinrichtung ausgewählte, Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials zum erneuten Durchlaufen der Vorrichtung und/oder Auswählen durch die Selektionseinrichtung der beschriebenen Zuführung zuzuleiten. Dafür kann beispielsweise ein (weiteres) Förderband vorgesehen sein. Gemäß dieser Ausgestaltung wird vorzugsweise ein Kreislauf für granulares Pulvermaterial, insbesondere bereits mindestens einmal ausgewähltes granulares Ausgangsmaterial, ermöglicht.
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Im Falle eines flüssigen Separationsfluids wird dann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein geschlossener Kreislauf für die beschriebene Flüssigkeitsströmung bereitgestellt.
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Durch ein wiederholtes Durchlaufen der Vorrichtung und/oder Selektieren durch die Selektionseinrichtung kann die bestimmte Fraktion vorteilhafterweise mit einer größeren Genauigkeit und/oder zuverlässiger ausgewählt werden. Um den genannten Kreislauf herzustellen, kann die Vorrichtung weitere, insbesondere dem Fachmann bekannte Mittel, beispielsweise ein Schneckenfördersystem oder einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf umfassen.
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In einer Ausgestaltung definiert die bestimmte Fraktion Partikel und/oder Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials mit einer Größe oder Abmessung zwischen 20 und 45 µm. Dieser Korngrößenbereich ist insbesondere für ein Laserpulverauftragschweiß-Verfahren mit dem das Werkstück aufgebaut werden soll, zweckmäßig und vorteilhaft.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das, insbesondere kontinuierliche, Auswählen der bestimmten Fraktion aus den einzelnen Partikeln oder Bestandteilen des granularen Ausgangsmaterials, wobei die Größe ausgewählter Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials mit einer Sensoreinrichtung, wie oben beschrieben, bestimmt wird.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Regeln der bestimmten Fraktion auf einen Sollwert der oder für die bestimmte Fraktion, ausgehend von der – insbesondere bestimmten – Größe der Bestandteile, wobei die Vorrichtung durch eine Veränderung von mindestens einem Auswahlparameter an den Sollwert angepasst wird, um die bestimmte Fraktion auf diesen zu regeln. Der genannte mindestens eine Auswahlparameter kann, wie oben beschrieben, eine Veränderung der Position der Selektionseinrichtung, insbesondere entlang der Selektionslänge, und/oder relativ zu der Zuführung betreffen oder auch eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Separationsfluids.
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Insbesondere kann durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren die Qualität des für ein additives Herstellungsverfahren benötigten granularen Ausgangsmaterials kontinuierlich und/oder zuverlässig gewährleistet werden, wobei ein Verstopfen, beispielsweise einer Pulverdüse einer LMD-Anlage vorteilhafterweise verhindert werden kann.
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In einer Ausgestaltung wird das Verfahren kontinuierlich durchgeführt, wobei – während des Auswählens, insbesondere kontinuierlich – neues oder frisches Ausgangsmaterial in die Vorrichtung eingebracht wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung des Werkstücks, umfassend das oben beschriebene Verfahren zum Betrieb der beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren zur additiven Herstellung wird vorzugsweise zeitgleich oder simultan mit der additiven Herstellung eines aus dem granularen Ausgangsmaterial gefertigten oder zu fertigenden Werkstücks durchgeführt. Dies bietet insbesondere den Vorteil, dass – im Rahmen der additiven Herstellung – vorzugsweise online ein automatisierter Prozess für die Kontrolle oder Überwachung der Pulverqualität oder des optimalen Korngrößenbereichs des granularen Ausgangsmaterials zur Verfügung gestellt wird.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Vorrichtung beziehen, können ferner eines oder beide der beschriebenen Verfahren betreffen oder umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Ansicht, welche die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform darstellt.
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2 zeigt eine schematische Ansicht, welche die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform darstellt.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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Gemäß der 1 und 2 wird jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben. Weiterhin wird vorzugsweise anhand der 1 und 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung beschrieben.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Auswählen einer bestimmten (Korn-)Fraktion eines granularen Ausgangsmaterials 1 oder Bestandteile desselben mit einer bestimmten Größenverteilung für die additive Herstellung eines Werkstücks (nicht explizit gekennzeichnet).
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Das granulare Ausgangsmaterial ist vorzugsweise ein Pulver für die additive Fertigung von metallischen Komponenten, vorzugsweise Komponenten für Strömungsmaschinen.
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Das granulare Ausgangsmaterial umfasst weiterhin eine Kornfraktion mit einer verhältnismäßig breiten, vorzugsweise fertigungsbedingten, Größenverteilung oder Verteilung; dies ist durch die unterschiedlich großen Partikel oder Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials 1 in den Figuren angedeutet. Die Größenverteilung oder Fraktion der Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials 1 können a priori oder fertigungsbedingt beispielsweise normal- oder gaußverteilt sein.
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Die Vorrichtung 100 umfasst ein Gehäuse 13. Das Gehäuse kann weiterhin eine Vielzahl oder alle inneren Komponenten der Vorrichtung 100 umschließen.
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Die Vorrichtung 100 umfasst eine Zuführung 2 für das granulare Ausgangsmaterial 1. In 1 ist als Zuführung 2 ein Förder- oder Transportband als Transporteinrichtung gezeigt, welches über Rollen (nicht explizit gekennzeichnet) beispielsweise entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt werden kann. Auf der Zuführung 2 wird granulares Ausgangsmaterial 1, wenn es oben auf der Zuführung 2 liegt, nach links transportiert und am linken Ende der Zuführung 2 vorzugsweise in einen Separationsbereich mit einem Separationsfluid 3 „geworfen“ und/oder in diesen hinein beschleunigt. Das Separationsfluid 3 ist gemäß der Ausgestaltung in 1 vorzugsweise Luft, wobei sich beispielsweise Temperatur und Druck des Separationsfluids 3 über einen weiten Bereich erstrecken können.
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Das Separationsfluid 3 erstreckt sich zweckmäßigerweise über eine über den gesamten Separationsbereich und über eine Selektionslänge SL hinweg. Der Separationsbereich ist vorzugsweise – über seine Anordnung, Ausdehnung und die Wahl des entsprechenden Separationsfluids 3 – eingerichtet, Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials mit unterschiedlicher Größe innerhalb der Separationslänge SL voneinander zu trennen. Die genannte Einrichtung oder Ausgestaltung des Separationsfluids 3 kann weiterhin eine Abstimmung auf eine zweckmäßige Förder- oder Transportgeschwindigkeit des granularen Ausgangsmaterials durch die Zuführung 2 betreffen.
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Das Separationsfluid 3 kann weiterhin einen Raum innerhalb des Gehäuses 13 ausfüllen. Weiterhin kann das Separationsfluid ein anderes Gas als Luft, beispielsweise ein Inertgas sein. Das Gehäuse 13 kann weiterhin, beispielsweise relativ zum Atmosphären- oder Normaldruck, teilevakuiert sein oder ein verdünntes Gas enthalten.
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Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Selektionseinrichtung 4. Der beschriebene Separationsbereich ist vorzugsweise derart zwischen der Zuführung 2 und der Selektionseinrichtung 4 angeordnet, dass von der Zuführung 2 in Richtung des Separationsbereichs beschleunigtes granulares Ausgangsmaterial größtenteils von der Selektionseinrichtung 4 „gefangen“ werden kann. Dabei durchlaufen die Bestandteile oder Partikel des Ausgangsmaterials 1 vorzugsweise teilweise die Selektionslänge SL, wobei die einzelnen Bestandteile des Ausgangsmaterials 1, vorzugsweise aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe oder Abmessungen in dem Separationsfluid 3 unterschiedlich stark abgebremst werden oder Widerstand erfahren.
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Vorzugsweise überlagert eine horizontale Bewegung der Bestandteile, welche durch die Beschleunigung durch die Zuführung 2 hervorgerufen wird, eine vertikale Bewegung der einzelnen Bestandteile, beispielsweise aufgrund der Schwerkraft. Die größeren und schwereren Partikel des granularen Ausgangsmaterials 1 werden gemäß der Darstellung der 1, beispielsweise durch den Widerstand des Separationsfluids 3 weniger stark abgebremst, und „fliegen“ am weitesten.
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Die Selektionseinrichtung 4 weist beispielsweise drei Kammern auf. Die genannten Kammern sind entlang der Richtung der Separationslänge SL nebeneinander angeordnet. Die genannten Kammern sind weiterhin nach oben, d.h. in einer Richtung senkrecht zur Selektionslänge SL, geöffnet.
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Die Selektionseinrichtung 4 ist vorzugsweise derart angeordnet und ausgebildet bzw. die Vorrichtung 100 insgesamt eingerichtet, dass nur Bestandteile des Ausgangsmaterials 1, welche hinsichtlich ihrer Größe oder Ausdehnung in einen Größenbereich der gewünschten Fraktion fallen, von der Selektionseinrichtung ausgewählt oder selektiert werden. Vorliegend ist die Vorrichtung vorzugweise weiterhin derart ausgestaltet, dass nur Bestandteile des Ausgangsmaterials, insbesondere Pulver, einer Fraktion zwischen 20 und 45 µm in der mittleren Kammer landen.
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Diese Partikel können dann gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 beispielsweise für ein nachfolgendes additives Herstellungsverfahren weiter prozessiert bzw. verwendet werden. Größere oder kleinere Partikel werden von den seitlichen oder randnahen Kammern der Selektionseinrichtung 4 aufgrund der unterschiedlichen Flugweiten der Partikel automatisch von der Vorrichtung 100 ausgesondert und verbleiben auf dem Grund der entsprechenden Kammer der Selektionseinrichtung 4.
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Die genannten Werte für die Kornfraktion des Ausgangsmaterials können insbesondere für additive Herstellungsverfahren wie selektives Laserschmelzen, besonders bevorzugt für das LMD-Verfahren, vorteilhaft sein. Noch feinere Anteile könnten beispielsweise während einer nachfolgenden oder simultanen additiven Herstellung konglomerieren und eine Pulverdüse verstopfen. Gröbere Anteile könnten hingegen nachteilhaft sein für eine Oberflächenqualität des herzustellenden Werkstücks. Die Feinstanteile des Ausgangsmaterials 1 mit Korngrößen kleiner als 20 µm müssen beim Laserauftragschweißen zur dauerhaften Vermeidung einer Verstopfung der Pulverdüsen auf Massen- oder Volumenanteile von weniger als 5 % des (ursprünglichen) Ausgangsmaterials begrenzt oder beschränkt werden.
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Die Selektionseinrichtung 4 ist vorzugsweise entlang der Separationslänge SL, also in horizontaler Richtung und/oder vertikal, das heißt senkrecht zur Selektionslänge SL, relativ zur Zuführung 2 verfahrbar und/oder beweglich angeordnet, sodass durch eine Anpassung der Position der Selektionseinrichtung 4 genau die gewünschte oder bestimmte Fraktion der Bestandteile des granularen Ausgangsmaterials 1 von der Vorrichtung 100 ausgewählt werden kann. Die entsprechende Bewegung kann über ein Getriebe und/oder einen Motor (nicht explizit dargestellt) ermöglicht werden.
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Die Selektionseinrichtung 4, insbesondere die mittlere Kammer, weist im unteren Bereich weiterhin einen trichterförmigen Abschnitt (nicht explizit gekennzeichnet) und einen Hals 14 auf, durch welchen die bereits für die bestimmte Fraktion ausgewählten Bestandteile des Ausgangsmaterials 1 – vorzugsweise durch die Schwerkraft getrieben – nach dem Ausselektieren hindurch fallen.
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Die Selektionseinrichtung 4 weist zusätzlich ein weiteres Förderband 15 auf. Das Förderband 15 ist derart angeordnet, dass die sich durch den Hals 14 bewegenden oder fallenden Partikel darauf landen und von dem Förderband 15 weitertransportiert werden. Die Vorrichtung 100 weist weiterhin ein Schneckenfördersystem 11 auf, über welches von dem Förderband 15 transportierte Partikel angehoben und wieder auf die Zuführung 2 befördert werden können. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Kreislauf für ausgewähltes Pulver (der bestimmten Pulverfraktion) erstellt werden, bei dem, vorzugsweise für die additive Herstellung benötigte Pulverchargen kontinuierlich und/oder online, das heißt während der additiven Herstellung, überwacht und/oder ausgewählt werden können. So kann beispielsweise Ausgangsmaterial 1 der ausgewählten Fraktion oder Körnung (Kornverteilung) ebenfalls dem beschriebenen Kreislauf entnommen und kontinuierlich einem Pulverreservoir einer additiven Herstellungsanlage zugeführt werden.
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Dadurch können beispielsweise einer anschließenden additiven Herstellung besonders vorteilhaft Partikel des Ausgangsmaterials mit der gewünschten und ausgewählten Größenverteilung zugeführt werden.
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Zur Überwachung oder Kontrolle (Feedback) der bestimmten Fraktion oder des gewünschten Größenbereichs der Bestandteile des Ausgangsmaterials 1, weist die Vorrichtung 100 vorzugsweise eine Sensoreinrichtung 5 auf. Die Sensoreinrichtung 5 weist einen optischen Sensor 6 und eine Lichtquelle 7 auf. Über den optischen Sensor 6 wird vorzugsweise für jedes durch den Hals 14 fallenden Teilchen des Ausgangsmaterials 1, die Größe oder Ausdehnung bestimmt. Ein entsprechender Größenmesswert kann einer Auswerteeinheit 8 der Vorrichtung 100 auf elektronischem Wege zugeführt werden. Über die Auswerteeinheit 8 kann demnach wie oben beschrieben, die bestimmte Fraktion überwacht und/oder ausgewertet werden.
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Insbesondere bei einem Abweichen der gemessenen Partikelgrößen, beispielsweise wenn diese außerhalb des Bereichs von 20 bis 45 µm liegen, kann die Vorrichtung 100 vorzugsweise über einen Auswahlparameter derart angepasst werden, dass die bestimmte Fraktion über die Auswerteeinheit 8 und die Sensoreinrichtung 5 auf einen entsprechenden Sollwert geregelt werden. Dieser Sollwert kann ein Bereichssollwert sein, welcher die bestimmte Fraktion definiert. Für die Regelung können gängige Maßnahmen des Standes der Technik, beispielsweise eine PID-Regelung zum Einsatz kommen.
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Die Auswerteeinheit 8 kann beispielsweise computergesteuert sein.
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Der genannte Auswahlparameter kann ein horizontaler und/oder vertikaler Abstand der Selektionseinrichtung 4, insbesondere einer mittleren Kammer derselben relativ zu der Zuführung 2 sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Auswahlparameter eine Position der Selektionseinrichtung 4 relativ zu dem Gehäuse 13 beschreiben.
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Das beschriebene Verfahren des Auswählens der bestimmten Pulverfraktion kann weiterhin simultan oder zeitgleich zur additiven Herstellung eines Werkstücks und/oder im Rahmen eines additiven Herstellungsverfahrens, beispielsweise eines LMD oder SLM Verfahrens, durchgeführt werden. Insbesondere kann das ausgewählte Pulver, kontinuierlich einem Pulver-Reservoir für eine Anlage zur additiven Herstellung (nicht explizit gekennzeichnet) zugeführt werden. Insbesondere wenn weiteres Pulver benötigt wird, welches beispielsweise durch die beschriebene Vorrichtung bzw. hinsichtlich seiner Fraktion vorselektiert werden muss, kann dieses über geeignete Mittel der Zuführung 2 oder dem beschriebenen Kreislauf zugeführt werden.
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2 zeigt eine zur Darstellung der 1 alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Im Unterschied zu 1 arbeitet die Vorrichtung 100 der 2 mit einem flüssigen Separationsfluid 3, beispielsweise einer Flüssigkeit, wie Wasser, einem leichten Öl oder einem Lösungsmittel. Das flüssige Separationsfluid kann beispielsweise temperiert sein.
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Ähnlich zu dem in 1 beschriebenen Kreislauf wird das Separationsfluid 3 zumindest teilweise in einer Strömung eines geschlossenen Kreislaufs durch ein Becken 20 bewegt, um eine kontinuierliche Selektion von Ausgangsmaterial zu ermöglichen. Für die Bewegung des Strömungsfluids, welches vorliegend dem Separationsfluid 3 entspricht, ist eine Pumpe 10, vorzugsweise mit einstellbarer, variabler Pumpleistung, vorgesehen.
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Die Leistung der Pumpe 10 kann vorzugsweise variiert werden, um eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit und darüber auch eine Einstellung der bestimmten Fraktion zu ermöglichen. Darüber kann wiederum, ein Auswahlparameter zur Verfügung gestellt werden, über welchen eine Abstimmung der Vorrichtung 100 und damit eine Variation der bestimmten oder definierten Pulverfraktion ermöglicht werden kann.
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Eine Selektionslänge beschreibt gemäß dieser Ausgestaltung einen horizontalen Abstand zwischen der Selektionseinrichtung 4 und der Pulverzuführung 2. Die Zuführung 2 ist gemäß dieser Ausgestaltung durch ein Rohr (nicht explizit gekennzeichnet bzw. einen Rohrauslass (vgl. oben rechts in 2) gebildet.
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Im Gegensatz zu der Selektionseinrichtung aus 1 weisen die Kammern die Selektionseinrichtung 4 gemäß dieser Ausgestaltung mit ihrer Öffnung nach rechts, also in Richtung der Selektionslänge und vorzugsweise entgegen der Strömungsrichtung (vgl. Bezugszeichen SR).
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Als weiterer Unterschied zu der Ausgestaltung in 1, werden die Bestandteile oder Partikel des Ausgangsmaterials 1 vorliegend durch unterschiedliche Absink-Geschwindigkeiten in dem flüssigen Separationsfluid 3 innerhalb der Separationslänge voneinander getrennt und entsprechend ausgewählt. Durch ihre größere Masse sinken die größeren Partikel oder Bestandteile des Ausgangsmaterials 1 in dem strömenden Separationsfluid 3 in dem Becken 20 nach unten und werden so von den kleineren und leichteren Partikeln (kleinere schwarze Punkte in 2) getrennt, welche durch die Strömung des Separationsfluids weiter mitgerissen werden.
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Für Bestandteile des Ausgangsmaterials 1, welche, wie beschrieben von dem strömenden Separationsfluid 3 und der Selektionseinrichtung 4 ausgesiebt werden sollen (und Vorzugsweise nicht zu bestimmten Fraktion zählen), werden gemäß der Ausgestaltung der Vorrichtung 100 an der mittleren Kammer der Selektionseinrichtung 4 vorbeigetrieben und jeweils in einem Abscheidung 22 in der oberen und der unteren Kammer ausgesondert.
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Diejenigen Bestandteile der bestimmten oder gewünschten Fraktion werden wieder von der mittleren Kammer aufgefangen und durchlaufen ein Rohrsystem, über welches die Bestandteile angetrieben durch die Pumpe 10 wieder der Pulverzuführung zugeführt werden können.
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Nach dem Auswählen durchlaufen die Partikel ebenfalls wieder eine Sensoreinrichtung 5, wobei, analog zur obigen Beschreibung, die Partikelgröße der ausgewählten Partikel bestimmt wird.
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Statt den geschlossenen Kreislauf – wie anhand von 1 beschrieben – erneut zu durchlaufen, werden die Bestandteile des ausgewählten Ausgangsmaterials 1 gemäß dieser Ausgestaltung in einem Reservoir 21 gesammelt und gegebenenfalls für einen weiteren Einsatz für die additive Herstellung getrocknet oder entsprechend anderweitig aufbereitet. Das Reservoir 21 ist im unteren Bereich der Vorrichtung 100 als Sammelreservoir angeordnet.
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Links neben der Zuführung 2 ist beispielhaft angedeutet, dass weiteres Ausgangsmaterial, vorzugsweise einer breiter gestreuten oder verteilten Pulverfraktion, der Vorrichtung 100, beispielsweise kontinuierlich zugeführt werden kann.
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Die Selektionseinrichtung kann anders als vorliegend dargestellt, eine beliebige oder zweckmäßige Anzahl von Kammern aufweisen.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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