-
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Aufbereitung eines Rohmetallpulvers zu einem Metallpulver mit einer vorbestimmbaren Partikelgrößenverteilung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein zugehöriges Verfahren, die zur Verwendung in einem generativen Fertigungsprozess besonders geeignet sind.
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das Metallpulver, das für ein generatives Fertigungsverfahren, wie das selektive Laserschmelzen zum Beispiel, benötigt wird, vor der Zuführung zu der eigentlichen Aufbauvorrichtung/3D-Drucker gesiebt werden muss, damit weder zu grobe noch zu feine Partikel (das sogenannte „Schlechtpulver“) in den generativen Fertigungsprozess gelangen.
-
Hierfür gibt es vollautomatisierte Siebstationen, die für das Sieben und das Fördern von entsprechend benötigten großen Mengen an Metallpulver ausgelegt sind. Die Siebung findet unter Schutzgasatmosphäre statt. Die Siebstationen sind so ausgelegt, dass mittels Vibrationssieben eine mittlere Pulverfraktion mit einem vorbestimmten mittleren Korngrößenbereich (das sogenannte „Gutpulver“) weiter in einen Vorratsbehälter zur Weiterverwendung in der Schmelzanlage gefördert werden kann. Unerwünschte Partikelgrößen ober- und unterhalb des vorbestimmten Korngrößenbereichs werden ausgeleitet.
-
Ferner ist bekannt, dass ein Pulver, das durch Sieben separiert werden soll, getrocknet werden sollte, um ein Anhaften der Pulverpartikel an den Sieben zu verringern. Feuchtigkeit führt im Metallpulver zu unerwünschten Agglomeraten, die den Anteil des zu groben Schlechtpulvers erhöhen würden, und kann Korrosions-/Oxidationserscheinungen begünstigen. Im speziellen Fall der Pulveraufbereitung für einen generativen Fertigungsprozess kommt hinzu, dass Restfeuchtigkeit im Pulver im Schmelzprozess nachteilig dazu führt, dass das enthaltene Wasser plötzlich explosionsartig verdampft, was mit unerwünschter Lunkerbildung innerhalb der generativ gefertigten Bauteile verbunden ist.
-
Zur Trocknung des Metallpulvers sind der
EP 2 992 986 A1 Trocknungsvorrichtungen als Teil einer Vorrichtung zur Herstellung von 3D-Werkstücken zu entnehmen. Die Vorrichtung führt zu einem Pulverkreislauf, durch den in der Prozesskammer nicht verschmolzenes Pulver wieder über einer Pulvereintragseinheit in die Prozesskammer zur erneuten Verwendung zugeführt wird, wobei eine reitungseinheit mit einer Siebanordnung passiert werden. Die Trocknungsvorrichtungen sind dabei in oder an der Prozesskammer sowie in den Pulver- und Gasrückführungen vorgesehen und beinhalten Silikagelbeutel als Trocknungsmittel. Weiter wird beschrieben, dass das Rohpulvermaterial auch schon vor Eintritt in den Pulverkreislauf durch Erhitzen, Gefriertrocknen oder Trocknungsmittel getrocknet werden kann.
-
Aus der
US 2017/0 225 198 A1 ist ferner eine Siebanlage zur Aufbereitung eines Metallpulvers offenbart, mit der über mehrere Siebdecks, beginnend von einer größten bis zu einer kleinsten Maschenweite, ein Metallpulver von Kontaminationen in Form von ungewünschten Partikelgrößen befreit werden kann.
-
Die
WO 2014/162 070 A1 beschreibt eine weitere Siebanlage mit mehreren untereinander angeordneten Sieben enger werdender Maschenweite, wobei auf jeder Siebebene die Abführung des dort aufgehaltenen Materials über eine entsprechende Austrittsöffnung vorgesehen ist.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Aufbereitung eines Metallpulvers so zu verbessern, dass die prozesssichere, schnelle und anpassbare Zusammenstellung einer definierten Pulverzusammensetzung, die eine oder mehrere Partikelgrößen vorbestimmter Mengen umfasst, ermöglicht wird und unter möglichst wenig zusätzlichem Aufwand für Vor- und Nacharbeiten geschieht, wobei die erhaltene Pulverzusammensetzung den hohen qualitativen Anforderungen an ein Ausgangsmaterial für einen generativen Fertigungsprozess wie das selektive Laserschmelzen genügt.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die weitere Aufgabe, aus einem Rohmetallpulver eine optimierte Pulverzusammensetzung für einen generativen Fertigungsprozess bereitzustellen, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
-
Bevorzugte Ausführungsformen der Anlage und des Fertigungsprozesses sind jeweils in den Unteransprüchen ausgeführt.
-
Eine erfindungsgemäße Anlage zur Aufbereitung eines Rohmetallpulvers zu einem Metallpulver mit einer vorbestimmbaren Partikelgrößenverteilung, das insbesondere zur Verwendung in einem generativen Fertigungsprozess geeignet ist, hat eine Siebvorrichtung und eine stromaufwärts dazu angeordnete Trocknungsvorrichtung. Die Siebvorrichtung weist ein erstes Siebdeck auf, dem das Metallpulver von der Trocknungsvorrichtung aufgegeben wird, und ein letztes Siebdeck. Das erste Siebdeck umfasst ein Sieb mit einer vorbestimmten größten Maschenweite, um eine Grobfraktion mit Partikelgrößen aufzufangen, die im generativen Fertigungsprozess unerwünscht sind, während die vorbestimmte kleinste Maschenweite des Siebs des letzten Siebdecks die Feinfraktion durchlässt, die ebenfalls nicht im generativen Fertigungsprozess erwünscht ist. Die oberen und unteren Trenngrenzen der unerwünschten Partikelgrößen sind materialspezifisch und dem Fachmann bekannt. Das zu grobe und deshalb so genannte „Schlechtpulver“, das von dem ersten Siebdeck zurückgehalten wird, und das zu feine, und deshalb ebenfalls als „Schlechtpulver“ bezeichnete Material, dass das letzte Siebdeck mit der kleinsten Maschenweite passiert, können wie üblich über entsprechende, dort am ersten Siebdeck und unterhalb des letzten Siebdecks vorgesehene Auslasseinrichtungen entfernt werden.
-
Die mittlere Fraktion (das „Gutpulver“) wird zur Weiterverwendung ebenfalls aus der Siebvorrichtung entfernt. In der erfindungsgemäßen Anlage weist die Siebvorrichtung zwischen dem ersten und dem letzten Siebdeck zumindest ein weiteres Siebdeck auf, dessen Maschenweite zwischen der vorbestimmten größten Maschenweite und der vorbestimmten kleinsten Maschenweite liegt, sodass die mittlere Gutpulverfraktion in zumindest zwei Subfraktionen getrennt wird.
-
Der Begriff „Subtraktion“ dient der besseren Unterscheidbarkeit der bislang bekannten Fraktionierung (die zu verwerfende Grob- und Feinfraktion und die verwendbare Mittelfraktion) von der erfindungsgemäßen weiteren Klassierung der verwendbaren Mittelfraktion in zwei oder mehr verwendbare Subfraktionen.
-
Wenn vorliegend von einer Maschenweite des Siebdecks gesprochen wird, ist dabei stets das Sieb bzw. ein Siebgewebe, oder, wo es in Bezug auf das letzte Siebdeck angesprochen wird, s.u., eine Filtertresse, die dort das Siebgewebe ist, gemeint.
-
Dem weiteren Siebdeck und dem letzten Siebdeck ist als Auslasseinrichtung jeweils eine Absperrarmatur, wie beispielsweise eine Klappe oder Zellradschleuse etc., zugeordnet, die über jeweils eine Förderleitung mit dem zugeordneten Siebdeck verbunden ist, um die auf jedem Siebdeck zurückgehaltene Subfraktion separat aus der Siebvorrichtung auslassen zu können. Über die entsprechenden Leitungen ist jede Absperrarmatur mit jeweils einer Mengenmesseinheit verbunden. Unter Mengenmessung werden hierin volumetrische und gravimetrische Messungen verstanden. Gravimetrische Mengenmesseinheiten wie Wiegeeinheiten sind dabei bevorzugt. Bei der gravimetrischen Dosierung kann durch entsprechende Wiegeeinheiten entweder eine gewünschte Menge als Batch verwogen oder ein über die Zeit konstanter Massestrom dosiert werden, sodass die Pulveraufbereitung folglich in der Anlage eher batchweise oder quasi kontinuierlich stattfinden kann.
-
Die Mengenmesseinheiten zum Abmessen der Anteile unterschiedlicher Pulverfraktionen sind mit einer Mischvorrichtung verbunden, in der die mit den Mengenmesseinheiten abgemessenen Anteile der unterschiedlichen Pulverfraktionen aus der Siebvorrichtung vermischt werden. Hierzu kann die Mischvorrichtung eine entsprechende Einrichtung (oder Einrichtungen) zum Homogenisieren der unterschiedlichen Pulverfraktionen aufweisen. Die Anlage ermöglicht damit die Bereitstellung einer maßgeschneiderten Pulverzusammensetzung, bei der die Anteile unterschiedlicher Pulversubfraktionen an ein damit zu fertigendes Bauteil (bzw. dessen Eigenschaften) in Abhängigkeit einer Art des Metallpulvermaterials und eines anzuwendenden generativen Fertigungsprozesses optimiert angepasst sind.
-
Da für unterschiedliche Metallpulvermaterialien und gegebenenfalls auch für unterschiedliche Bauteile bzw. dessen Eigenschaften und/oder für unterschiedliche Fertigungsprozesse die unerwünschten Partikelgrößen und damit die obere und untere Trenngrenze variieren können, kann vorgesehen sein, dass die Siebdecks oder die jeweiligen in Rahmen gehaltenen Siebgewebe austauschbar gestaltet sein können, um die Siebvorrichtung an gewünschte bzw. vorgegebene obere und untere Grenzpartikelgrößen für die herzustellenden Pulverzusammensetzungen anzupassen, sodass die Maschenweite des ersten Siebdecks immer so gewählt wird, dass die tatsächlich im Prozess unerwünschten Grobpartikel zurückgehalten werden. Selbstverständlich können auch die weiteren Siebdecks austauschbar gestaltet werden, um die Siebvorrichtung für gewünschte Pulverfraktionierungen anzupassen.
-
Möglich ist auch, wo es dem Fachmann sinnvoll erscheint, dass auch die Auslasseinrichtungen für das zu grobe und zu feine Schlechtpulver am ersten Siebdeck und unterhalb des letzten Siebdecks jeweils mit einer entsprechenden Absperrarmatur und Mengenmesseinheit gekoppelt sind, so dass die für das vorgesehene Metallpulver unerwünschten Schlecht-Fraktionen ebenfalls mengenmäßig erfasst und ggf. anderweitig eingesetzt werden können.
-
Vorzugsweise kann die Siebvorrichtung zwischen dem ersten und dem letzten Siebdeck nicht nur ein weiteres Siebdeck, sondern mehrere weitere Siebdecks mit absteigender Maschenweite zwischen der vorbestimmten größten Maschenweite und der vorbestimmten kleinsten Maschenweite aufweisen, um mehrere Subfraktionen mit engeren Grenzen zu erhalten, die eine genauere Einstellung einer gewünschten Pulverzusammensetzung ermöglichen. Selbstverständlich ist dabei jedem der weiteren Siebdecks jeweils eine Absperrarmatur zugeordnet, die jeweils mit einer Mengenmesseinheit verbunden ist. Letztere kann wiederum mit der Mischvorrichtung verbunden sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Anlage zumindest eine Steuerungsvorrichtung auf, die mit den Absperrarmaturen und den Mengenmesseinheiten verbunden ist, um die Zusammenstellung der Zusammensetzung bei der Aufbereitung des Metallpulvers vollautomatisiert ablaufen lassen zu können. Dabei ist die Steuerungsvorrichtung dazu konfiguriert, die Absperrarmaturen in Abhängigkeit von vorbestimmten, von den Mengenmesseinheiten erfassbaren Mengenparametern anzusteuern, sodass nach Benutzereingabe einer gewünschten Pulverzusammensetzung mit Angabe der jeweiligen Anteile der Subfraktionen in die Steuerungsvorrichtung diese gewünschte Pulverzusammensetzung vorteilhaft automatisch und prozesssicher erzeugt wird.
-
Bei bisherigen Siebvorrichtungen gemäß Stand der Technik ist die unterste Trenngrenze, die durch das letzte Siebdeck bereitgestellt wird, auf 20 µm begrenzt, welche die bislang kleinste nutzbare Maschenweite eines Siebgewebes darstellen. Alle Partikel unterhalb 20 µm sind daher bei Nutzung von Siebvorrichtungen bislang in das zu feine Schlechtpulver gelangt. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das letzte Siebdeck als Siebgewebe eine Filtertresse aufweist, deren Porengröße unter 20 µm, vorzugsweise bei 10 µm liegt, sodass die untere Siebgrenze zu einer kleineren Partikelgröße verschoben ist. Damit gehen nun nur Partikel unterhalb 10 µm in das zu feine Schlechtpulver, so dass eine weitere nutzbare Subfraktion bis 10 µm bei der Zusammenstellung einer gewünschten Pulverzusammensetzung verwendet werden kann.
-
Grundsätzlich könnten die Siebdecks der Siebvorrichtung durch übliche Vibrationsantriebe bewegt werden.
-
Erfindungsgemäß ist allerdings bevorzugt, dass zumindest das letzte Siebdeck mit der kleinsten Maschenweite statt durch Vibrationsantrieb mittels eines Ultraschallerzeugers angeregt wird, um die Siebung zu unterstützen und ein Zusetzen der Poren zu verringern.
-
Selbstverständlich können auch die anderen Siebe mittels Ultraschallerzeuger angeregt werden. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Siebe eine dreidimensionale Taumelbewegung (Überlagerung einer kreisförmigen Bewegung mit translatorischen vertikalen und horizontalen Bewegungen) durchführen, sodass die auf dem Sieb zurückgehaltenen Partikel ausgehend von der Mitte spiralförmig nach außen transportiert werden, und zur Auslasseinrichtung mit der Absperrarmatur gelangen. Die Taumelbewegung, die durch eine entsprechende Antriebsvorrichtung erzeugt wird, kann in Bezug auf die Lage der Absperrarmatur abgestimmt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Siebvorrichtung auch eine Antriebsvorrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Vibration der Siebe bzw. Siebgewebe (Gewebe umfasst dabei sämtliche dem Fachmann bekannten Materialien, also auch Metallgewebe) aufweisen.
-
Zur Durchführung der vollautomatisierten Aufbereitung kann die Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine weitere Absperrarmatur aufweisen, die zwischen der Trocknungsvorrichtung und der Siebvorrichtung angeordnet ist. Zudem ist vorgesehen, dass in der Trocknungsvorrichtung ein Feuchtigkeitssensor angeordnet ist, der dort die relative Feuchtigkeit erfasst. Damit nur ausreichend getrocknetes Metallpulver in die Siebvorrichtung gelangt, können die weitere Absperrarmatur und der Feuchtigkeitssensor mit einer Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung der weiteren Absperrarmatur in Abhängigkeit eines gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch den Feuchtigkeitssensor erfassbaren Feuchtigkeitsparameters verbunden sein. Es kann sich bei dieser Steuerungsvorrichtung um dieselbe Steuerungsvorrichtung handeln, die auch die den Siebdecks zugeordneten Absperrarmaturen ansteuert, es kann aber auch eine weitere, separate Steuerungsvorrichtung sein.
-
Um das Explosionsrisiko bei der Pulveraufbereitung zu minimieren, ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass zumindest die Siebvorrichtung einen Schutzgaszufuhranschluss aufweist, um während des Siebens eine Schutzgasatmosphäre aufrecht zu erhalten. Alternativ oder vorzugsweise zusätzlich können auch die Trocknungsvorrichtung sowie gegebenenfalls und vorzugsweise auch die Mischvorrichtung einen Schutzgaszufuhranschluss aufweisen, um auch dort eine Schutzgasatmosphäre aufrecht zu erhalten.
-
Um diese sicherzustellen, können die Trocknungsvorrichtung bzw. die Siebvorrichtung bzw. die Mischvorrichtung (vorzugsweise alle drei) nach noch weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Vorrichtung jeweils zumindest einen Sauerstoffsensor - und gegebenenfalls einen Schutzgassensor - aufweisen, der/die mit der Steuerungsvorrichtung zur Steuerung einer Schutzgaszufuhr durch den jeweiligen Schutzgaszufuhranschluss in Abhängigkeit eines erfassten Sauerstoffgehalts verbunden ist/sind. Auch hier kann es sich um eine der obigen Steuerungsvorrichtungen oder eine weitere Steuerungsvorrichtung handeln. Im Falle, dass mehrere Steuerungsvorrichtungen vorliegen, können diese dann auch kommunikativ miteinander oder mit einer übergeordneten Steuerungsvorrichtung verbunden sein.
-
Die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht nicht nur, dass zu große Partikel (Grobkorn) und zu kleine Partikel (Feinkorn) eines Metallpulvers vor dem Schmelzprozess eines generativen Fertigungsverfahrens aussortiert werden, wobei die Ober- und Untergrenzen materialspezifisch sind, sondern vorteilhaft auch, dass das Metallpulver mit unterschiedlichen Größenverteilungen eingestellt und nach Wunsch bzw. Fertigungsvorgaben designt werden kann. Vorstellbar sind dabei Variationen in der Höhe und Breite der Normalverteilung in Bezug auf die Partikelgrößen, aber auch die Realisierung anderer Verteilungsfunktionen wie beispielsweise einer Rechteckfunktion. Die erfindungsgemäße Anlage kann zudem bereits bei einem generativen Fertigungsprozess verwendetes Pulver wiederaufbereiten, auch wenn sie in erster Linie zur Aufbereitung von Rohpulver vorgesehen ist. Hierbei kann auch im Prinzip ungeeignetes Rohpulver, das zu feucht ist oder eine ungeeignete Partikelgrößenverteilung aufweist, prozesssicher aufbereitet werden, um in einem generativen Fertigungsprozess zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Qualität verwendet zu werden. Der gesamte Aufbereitungsprozess läuft nach Bedienereingabe hinsichtlich der Pulverzusammensetzung vollautomatisiert ab.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aufbereitung eines Rohmetallpulvers, das mit einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt werden kann, geht davon aus, dass ein bereitgestelltes Rohmetallpulver in einer Trocknungsvorrichtung getrocknet und dann einer Siebvorrichtung aufgegeben wird, in der unter Schutzgasatmosphäre eine unerwünschte Grobfraktion und eine Feinfraktion als Schlechtpulver abgetrennt und eine mittlere Fraktion als Gutpulver mit einer gewünschten Pulverzusammensetzung in einen Vorratsbehälter überführt oder dem generativen Fertigungsprozess zugeführt wird. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiter die folgenden Schritte:
- - Klassieren der mittleren Fraktion nach der Partikelgröße durch Sieben in zumindest zwei Subfraktionen,
- - Vorbestimmen von Mengenanteilen (Masse oder Volumen) der zumindest zwei Subfraktionen in der gewünschten Pulverzusammensetzung,
- - Abmessen der vorbestimmten Mengenanteile der zumindest zwei Subfraktionen, und
- - Mischen der abgemessenen Mengenanteile der zumindest zwei Subfraktionen des Metallpulvers und Bereitstellen des aufbereiteten Metallpulvers in der gewünschten Pulverzusammensetzung.
-
Das Bereitstellen des aufbereiteten Metallpulvers in der gewünschten Pulverzusammensetzung ist besonders vorteilhaft für den Einsatz des Metallpulvers in einem generativen Fertigungsprozess.
-
Erfindungsgemäß wird zwar die mittlere Fraktion in zumindest zwei Subfraktionen aufgetrennt; dies bedeutet aber nicht zwangsläufig, dass jede Subfraktion in der gewünschten Pulverzusammensetzung enthalten sein muss. So ist es durchaus möglich und auch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dass der vorbestimmte Mengenanteil einer bestimmten Subfraktion 100 % beträgt, während die Mengenanteile der anderen Subfraktionen 0 % sind, sodass die daraus erhaltene Pulverzusammensetzung nur Pulver aus der einen bestimmten Subfraktion enthält.
-
Besonders vorteilhaft kann das Verfahren nach Eingabe der gewünschten Pulverzusammensetzung in eine Steuerungsvorrichtung vollautomatisiert ablaufen, indem das Verfahren zusätzlich die folgenden Schritte umfasst:
- - Erfassen von Mengenparametern beim Abmessen der Mengenanteile durch Mengenmesseinheiten und Weiterleiten der Mengenparameter an die verbundene Steuerungsvorrichtung,
- - Betätigen von Absperrarmaturen, die den Siebdecks der Siebvorrichtung zugeordnet sind, durch die Steuerungsvorrichtung zum Öffnen in Abhängigkeit der vorbestimmten Mengenanteile der gewünschten Pulverzusammensetzung und zum Schließen in Abhängigkeit der erfassten Mengenparameter.
-
Das heißt, dass nach Ein- und Vorgabe einer gewünschten Pulverzusammensetzung mit Angabe der jeweiligen Anteile der Subfraktionen in die Steuerungsvorrichtung, diese Pulverzusammensetzung automatisch erzeugt wird, indem die Steuerungsvorrichtung entsprechend der Eingabe die Absperrarmaturen der gewünschten Subfraktionen öffnet und nach Erreichen des vorbestimmten Mengenanteils durch Vergleichen der von den Mengenmesseinheiten erfassten und weitergeleiteten Mengenparameter wieder schließt, wenn der erfasste Mengenparameter dem vorgegebenen Mengenparameter entspricht.
-
Weitere Verfahrensschritte zur vollautomatischen Durchführung der Pulveraufbereitung umfassen:
- - beim Trocknen in der Trocknungsvorrichtung Erfassen eines Feuchtigkeitsparameters des Metallpulvers durch einen Feuchtigkeitssensor und Weiterleiten des Feuchtigkeitsparameters an die Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung einer Absperrarmatur zwischen der Trocknungsvorrichtung und der Siebvorrichtung in Abhängigkeit des erfassten Feuchtigkeitsparameters, wobei die Absperrarmatur nicht zum Öffnen angesteuert wird, wenn durch die Steuerungsvorrichtung eine Überschreitung eines vorbestimmten Feuchtigkeitsparameters durch einen erfassten Feuchtigkeitsparameter festgestellt wird, und/oder
- - Aufrechterhalten einer Schutzgasatmosphäre beim Trocknen, Mischen und Überwachen eines Sauerstoffgehalts in der Trocknungsvorrichtung, der Siebvorrichtung und der Mischvorrichtung durch Sauerstoffsensoren, wobei die Steuerungsvorrichtung eine Zufuhr von Schutzgas in die Trocknungsvorrichtung, die Siebvorrichtung und/oder die Mischvorrichtung veranlasst, wenn ein durch einen der Sauerstoffsensoren erfasster Sauerstoffgehalt einen vorbestimmten Sauerstoffgehalt überschreitet.
-
Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein Fließschema einer erfindungsgemäßen Anlage,
- 2 eine perspektivische Skizze einer erfindungsgemäßen Anlage mit Teilaufrissen,
- 3 ein Blockschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 und 2 zeigen erfindungsgemäße Anlagen 100 in unterschiedlichen Darstellungsweisen. Anhand dieser beispielhaften Darstellungen wird auch das Verfahren, das in einer bevorzugten Ausführungsform in 3 wiedergegeben ist, nachfolgend beschrieben.
-
Das für einen generativen Fertigungsprozess aufzubereitende Rohpulver wird über den Rohpulvereingang 6 in die Trocknungsvorrichtung 1 gegeben. Dort wird das Metallpulver unter Schutzgasatmosphäre getrocknet, beispielsweise durch Erhitzen, Gefriertrocknen und/oder unter Nutzung von Trocknungsmitteln. Um die Schutzgasatmosphäre zu schaffen, wird über die Schutzgaszufuhr 11 ein Schutzgas, beispielsweise Argon (figurativ nicht darstellbar), in die Trocknungsvorrichtung 1 eingebracht. Gegebenenfalls kann auch ein anderes Schutzgas als Argon, beispielsweise Stickstoff eingesetzt werden, wobei allerdings je nach Art des aufzubereitenden Metallpulvers auf mögliche Stickstoffversprödung zu achten ist. Die Schutzgasatmosphäre dient in erster Linie der Verdrängung von Luftsauerstoff, um das Risiko einer Metallpulverexplosion und der Oxidation des Metallpulvers zu minimieren. Daher wird in erster Linie der Sauerstoffgehalt in der Trocknungsvorrichtung 1 mittels eines Sauerstoffsensors 12 kontrolliert, der mit einer Steuerungsvorrichtung 30 in Verbindung steht, die die Schutzgaszufuhr 11 bei Feststellen eines zu hohen Sauerstoffgehalts aktiviert, um eine sichere Schutzgasatmosphäre in der Trocknungsvorrichtung 1 aufrecht zu erhalten.
-
Ergänzend kann mit einem Schutzgassensor 13, der in 1 daher nur gestrichelt dargestellt ist, der Schutzgasgehalt in der Trocknungsvorrichtung 1 festgestellt und an die Steuerungsvorrichtung 30 weitergegeben werden, die den bestehenden Schutzgasgehalt bei der Ansteuerung der Schutzgaszufuhr 11 berücksichtigen kann.
-
Ein Feuchtigkeitssensor 14 misst die relative Feuchtigkeit in der Trocknungsvorrichtung 1 und kann vorzugsweise, wie dargestellt, in der Nähe eines zur Siebvorrichtung 2 führenden Auslasses angeordnet sein, um die Feuchtigkeit des auszuleitenden Pulvers festzustellen. Es können aber auch mehrere Feuchtigkeitssensoren in einer Trocknungsvorrichtung 1 an unterschiedlichen Stellen vorgesehen sein.
-
Der Feuchtigkeitssensor 14 übermittelt die erfassten Messwerte der relativen Feuchtigkeit an eine Steuerungsvorrichtung 30, mit der eine Absperrarmatur 5' zur Siebvorrichtung 2 angesteuert werden kann. So wird die Absperrarmatur 5' durch die Steuerungsvorrichtung 30 nur geöffnet, wenn ein vorbestimmter zulässiger Grenzwert der relativen Feuchtigkeit, die durch den Sensor 14 erfasst wird, nicht überschritten wird. Wird dieser Grenzwert überschritten, veranlasst die Steuerungsvorrichtung 30 ein Schließen der Absperrarmatur 5', und öffnet erst wieder, wenn die gemessene Feuchtigkeit unter den vorbestimmten Grenzwert fällt. So wird sichergestellt, dass nur ausreichend getrocknetes Pulver in die Siebvorrichtung 2 gelangt. Mit der der Siebvorrichtung 2 vorgeschalteten Trocknungsvorrichtung 1 wird erreicht, dass die Bildung von Agglomeraten minimiert wird bzw. diese sich auflösen können, was im Hinblick auf die nachfolgende Siebung insbesondere bei den kleinsten Maschenweiten besonders wichtig ist. Zudem wird der Korrosion bzw.
-
Oxidation des Metallpulvers vorgebeugt. Weiter wird durch die Trocknung verhindert, dass im späteren generativen Fertigungsprozess Wassermoleküle durch Energieeintrag während des Schmelzprozesses verdampfen, was in Mikroexplosionen erfolgen würde, die nachteilig zu Lunkerbildung innerhalb der Bauteile führen würden.
-
In der Siebvorrichtung 2, die eine der Trocknungsvorrichtung 1 entsprechende Einrichtung aus mit Sensoren 12, 13 und Schutzgaszufuhr 11 verbundene Steuerungsvorrichtung 30 zur Aufrechterhaltung einer Schutzgasatmosphäre hat, trifft das getrocknete Rohpulver auf ein erstes Siebdeck 20, dessen Sieb eine Maschenweite aufweist, um Partikel der Schlechtpulver-Grobfraktion oberhalb einer vorbestimmten Partikelgröße zurückzuhalten (nicht in 2 dargestellt). Die Schlechtpulver-Grobfraktion kann über einen Ausgang 8' ausgetragen werden. Entsprechend kann auch die Schlechtpulver-Feinfraktion, die das letzte Siebdeck 22 passiert, durch einen Ausgang 8 ausgeleitet werden. Die dazwischen liegende mittlere Fraktion, die für generative Fertigungsprozesse geeignete Korngrößen umfasst, wird in der erfindungsgemäßen Anlage 100 durch weitere Siebdecks 21 zwischen dem ersten Siebdeck 20 und dem letzten Siebdeck 22 in vier (1) bzw. in drei (2) Subfraktionen getrennt. Es versteht sich von selbst, dass hier keine Beschränkung in Bezug auf die Anzahl der weiteren Siebdecks 21 gemeint ist. Vielmehr kann jede vorstellbare und wünschenswerte Anzahl von Subfraktionen mit einer entsprechenden Anzahl von Siebdecks mit von oben nach unten abnehmenden Maschenweiten erhalten werden. Die Breiten der Subfraktionen können über eine entsprechende Auswahl der jeweiligen Maschenweiten der Siebdecks eingestellt werden.
-
Die Siebvorrichtung einer erfindungsgemäßen Anlage kann insbesondere austauschbare Siebdecks aufweisen, um falls erforderlich eine einfache Umrüstung zu ermöglichen, wenn ein anderes Pulvermaterial aufbereitet werden soll, das beispielsweise eine abweichende obere oder untere Trenngrenze aufweist oder andere Subfraktionen benötigt werden. Die betreffenden Siebdecks können dann einfach gegen Siebdecks mit angepassten Maschenweiten ausgetauscht werden. Ein Siebwechsel ist auch bei der Aufbereitung unterschiedlicher Legierungen wichtig, um eine Querkontamination vollständig ausschließen zu können.
-
Zur Bewegung der Siebe kann die Siebvorrichtung 2 einen Antrieb 23 aufweisen, der eine Taumelbewegung der Siebdecks verursacht, wodurch nicht nur die Siebung unterstützt wird, sondern auch das Pulver von der Siebmitte aus zum Siebrahmen gefördert wird, wo sich jeweils eine Auslasseinrichtung für das zurückgehaltene Pulver befindet. Alternativ zu einer Taumelbewegung kann der Antrieb 23 auch zur mechanischen Vibrationsanregung der Siebgewebe ausgebildet sein. Anders als in 1 angedeutet, kann jedes Siebdeck auch einen eigenen mechanischen Vibrationsantrieb aufweisen.
-
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Anlage 100 ist, dass ein nicht verwendbarer Feinanteil bis auf eine Partikelgröße von 10 µm gesenkt werden kann, der auch in der Siebvorrichtung 2 abgetrennt werden kann. Die bisherig erreichbare untere Siebgrenze liegt bei 20 µm. Eine darunter liegende Trenngrenze konnte bislang nur mit teuren Sichteranlagen erreicht werden. Um den gewünschten Größenbereich bis 10 µm abzudecken, wären daher bislang zwei Anlagentypen, Sieb und Sichter, erforderlich oder eine Fraktionierung des Pulvers nur mittels Sichten, was jedoch einen unverhältnismäßig großen Aufwand mit sich bringen würde, da jede Fraktion in einem erneuten Sichtvorgang vom Restpulver abgetrennt werden müsste. Sichtverfahren, welche in einem Schritt das Pulver in mehrere Fraktionen unterteilen, sind aufgrund einer zu hohen Toleranzabweichung ungeeignet.
-
Der Einsatz einer Filtertresse als Siebgewebe in dem letzten Siebdeck 22 gestattet eine unterste Trenngrenze von 10 µm in der Siebvorrichtung 2. Um ein Zusetzen der Poren der Filtertresse im letzten Siebdeck 22 zu verringern und die Siebung zu unterstützen, ist eine Ultraschallanregung des letzten Siebdecks 22 vorgesehen. Hierfür weist die Siebvorrichtung 2 einen Ultraschallerzeuger 23' auf. Anders als dargestellt, können auch die weiteren Siebdecks mit einem Ultraschallerzeuger verbunden sein.
-
Von jedem Siebdeck 21 und dem letzten Siebdeck 22 verläuft eine Auslassförderleitung 9 (vgl. 2) zu jeweils einer Absperrarmatur 5, wobei es sich beispielsweise um ein Ventil, eine Klappe oder eine Zellradschleuse handeln kann. Jede dieser Absperrarmaturen 5 kann von einer Steuerungsvorrichtung 30 angesteuert werden. Entsprechend einer durch Benutzereingabe in der Steuerungsvorrichtung 30 vorbestimmten Pulverzusammensetzung, in der die Anteile der unterschiedlichen Subfraktionen festgelegt sind, werden diejenigen Absperrarmaturen 5 zum Öffnen angesteuert, die den Siebdecks 21,22 mit den gewünschten Subfraktionen zugeordnet sind. Wenn eine oder mehrere Subfraktionen nicht in der gewünschten Pulverzusammensetzung enthalten sein sollen und deren Anteil somit 0 beträgt, werden die entsprechenden Absperrarmaturen 5 nicht geöffnet.
-
Nach Öffnen der Absperrarmaturen 5 gelangen die jeweiligen Subfraktionen über die Förderleitung 9 jeweils zu einer Mengenmesseinheit 3, mit der der für die gewünschte Pulverzusammensetzung vorbestimmte Anteil abgemessen wird. Bei den Mengenmesseinheiten 3 kann es sich um Wiegeeinheiten handeln, die ein Gewicht als Mengenparameter erfassen. Beispielsweise können am Siebrahmen eines jeden Siebdecks 21,22 elektrisch betätigbare Klappen als Absperrarmaturen 5 vorgesehen sein, die nach einer zuvor programmierten Siebdauer geöffnet werden. Über die jeweils geöffnete Klappe kann die jeweilige Pulversubfraktion auf die nachgeschaltete Wiegeeinheit fallen. Je nach zuvor eingestellter Pulverzusammensetzung, schließt die jeweilige Klappe nach Erreichen der gewünschten Pulvermenge wieder.
-
In 2 ist zu sehen, dass den Wiegeeinheiten 3 ebenfalls Absperrarmaturen 5" zugeordnet sein können, um das Abwiegen eines gewünschten Anteils in der Wiegeeinheit 3 zu ermöglichen. Wie in 1 zu sehen ist, sind die Mengenmesseinheiten bzw. Wiegeeinheiten 3 ebenfalls mit einer Steuerungsvorrichtung 30 verbunden, die die den Siebdecks 21, 22 zugeordneten Absperrarmaturen 5 ansteuert. Dadurch werden diese Absperrarmaturen 5 automatisch geschlossen, wenn jeweils der durch die Mengenmesseinheiten 3 erfasste Mengenparameter dem vorbestimmten Anteil der jeweiligen Subfraktion entspricht.
-
Außer einer Wiegeeinheit, die beispielsweise als Durchlaufwaage zur kontinuierlichen Dosierung oder eine Plattform- oder Rahmenwaage zur batchweisen Dosierung ausgebildet sein kann, kommen auch andere Mengenmesseinheiten wie beispielsweise Massenstrommesssonden in Frage, die die Durchflussmenge in der Rohrleitung als Mengenparameter zum Beispiel auf Basis der Reflexion von Mikrowellenstrahlung erfassen.
-
Nicht in den Figuren dargestellt ist die Verbindung der Steuerungsvorrichtung 30 mit den Absperrarmaturen 5", die gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel den Mengenmesseinheiten 3 zugeordnet sind, die den gewünschten Anteil batchweise verwiegen. Diese Absperrarmaturen 5" werden nach Erreichen des vorbestimmten Anteils zum Öffnen angesteuert, sodass die vorbestimmten Anteile der Subfraktionen in einer gewünschten Pulverzusammensetzung in der Mischvorrichtung 4 zusammengeführt werden. Dort wird die gewünschte Pulverzusammensetzung, ebenfalls unter Schutzgasatmosphäre, die durch eine entsprechende Einrichtung mit Schutzgaszufuhr 11, Steuerungsvorrichtung 30 und Sensoren 12, 13 gebildet und aufrechterhalten wird, homogenisiert, ehe sie durch den Auslass 10 für das aufbereitete Metallpulver die Mischvorrichtung 4 der Anlage 100 verlässt, um bevorratet, abgefüllt (auch unter Schutzgas) oder direkt einem generativen Fertigungsverfahren zugeführt zu werden.
-
Eine erfindungsgemäße Anlage kann daher in einer ergänzten Ausführung (nicht in den Figuren dargestellt) auch eine entsprechende Vorrichtung zur Bevorratung bzw. zum Abfüllen aufweisen. Oder eine erfindungsgemäße Anlage kann, wenn von dem Auslass Fördermittel zu einer generativen Fertigungsvorrichtung führen, eine generative Fertigungsanlage bilden (ebenfalls nicht in den Figuren dargestellt), sodass sich die vorliegende Erfindung auch auf eine generative Fertigungsanlage bezieht, die eine erfindungsgemäße Pulveraufbereitungsanlage umfasst.
-
Unabhängig davon, ob das aufbereitete Metallpulver nach Verlassen der Anlage bevorratet, abgefüllt oder direkt einem generativen Fertigungsverfahren zugeführt werden soll, bildet die erfindungsgemäße Anlage vorteilhaft ein geschlossenes, automatisiertes System, bei dem Sicherheit und Explosionsschutz durch Schutzgas in den Vorrichtungen der Anlage erhöht werden.
-
Zum Abfüllen des aufbereiteten Metallpulvers kann unterhalb des Mischers eine Abfülleinheit vorgesehen sein, die ebenfalls mit einer Schutzgaszufuhr versehen ist, um das Pulver unter Schutzgasatmosphäre abfüllen zu können.
-
In der alternativen Ausführungsform, bei der die Pulveraufbereitungsanlage in eine additive Fertigungsanlage integriert ist, kann das aufbereitete, im Mischer homogenisierte Metallpulver über Fördermittel, wie z .B. Förderschnecke, Zellenradschleuse, Vakuumpumpe, usw., direkt der generativen Fertigungsvorrichtung zugeführt werden. Die im Verlauf des generativen Fertigungsprozesses erforderliche zuzuführende Pulvermenge kann dabei automatisch gesteuert werden.
-
Falls es für ein generativ zu fertigendes Bauteil vorgesehen ist, dass Abschnitte des Bauteils unterschiedliche Pulverzusammensetzungen aufweisen sollen, können diese mit der erfindungsgemäßen Anlage schnell und automatisiert zur Verfügung gestellt werden, da die Anlage so programmiert werden kann, dass die Pulverzusammensetzungen in den gewünschten Mengen während des Fertigungsvorgangs geändert und angepasst werden.
-
Um die Effizienz in einer generativen Fertigungsanlage, die eine erfindungsgemäße Pulveraufbereitungsanlage umfasst, zu erhöhen, kann zudem vorgesehen sein, dass bei der Aufbereitung gezielt Feinanteil von Pulver zugeführt wird, das bereits in einem generativen Fertigungsprozess verwendet wurde. Hierdurch kann der prozentual höhere Verbrauch des Feinanteils ausgeglichen werden. Vorzugsweise kann das zu recyclierende Feingut als Anteil des Rohmetallpulvers in die Trocknungsvorrichtung der Anlage aufgegeben werden.
-
Zudem können in einer erfindungsgemäßen Pulveraufbereitungsanlage bzw. einer erfindungsgemäßen generativen Fertigungsanlage optional weitere Vorrichtungen integriert werden, wie beispielsweise eine Sichtereinheit, um nichtmetallische Anteile (Fremdkörper oder Abrieb einer Beschichterlippe einer generativen Fertigungsvorrichtung) aus dem Prozess zu entfernen, ehe das zu recyclierende Pulver rückgeführt wird bzw. das Rohpulver in die Trocknungsvorrichtung aufgegeben wird. Ferner kann in einer Pulverrückführung von einer generativen Fertigungsvorrichtung (bzw. in der Zufuhr zur Trocknungsvorrichtung) optional eine Einheit integriert werden, um die Anzahl der Satellitenanhaftungen, worunter Besetzungen des Pulvermaterials aus dem Verdüsungsprozess heraus mit Partikeln verstanden werden, bzw. leicht verschweißte Partikel zu reduzieren. Derartige Einheiten können beispielsweise Mühlen, Prallplatten und/oder Zyklonen aufweisen.
-
Auch dort wird eine Schutzgasatmosphäre aufrechterhalten, die nicht nur das Eindringen von Luftsauerstoff sondern auch von Feuchtigkeit verhindert, sodass in einer nachfolgenden generativen Fertigungsanlage auf Trocknungsvorrichtungen in der Peripherie der 3D-Druck- bzw. Schmelzkammer verzichtet werden kann.
-
In 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit mehrere Steuerungsvorrichtungen 30 dargestellt. Selbstverständlich kann auch nur eine einzige Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, die sämtliche Steuerungsaufgaben erfüllt. So kann auch vorgesehen sein, dass beispielsweise, wenn an einem der Sauerstoffsensoren in Trocknungsvorrichtung, Siebvorrichtung oder Mischvorrichtung eine Überschreitung eines zuvor festgelegten zulässigen Sauerstoffgehalts festgestellt wird, eine automatische Nachregulierung, d. h. Spülung mit Schutzgas/Argon erfolgt, und zwar wahlweise entweder nur in dem Anlagenteil, in dem die Überschreitung festgestellt wurde oder zur Vermeidung der Verschleppung von Sauerstoff gleich in allen drei Anlagenteilen.
-
Mit Hilfe der oben beschriebenen Anlage ist es möglich, eine für ein jeweiliges Bauteil, bzw. dessen Eigenschaften, für den gewählten Fertigungsprozess und in Abhängigkeit der Art des Pulvers, d. h. in Abhängigkeit des jeweiligen Metalls oder der Mischung unterschiedlicher Metalle, optimierte Zusammensetzung in einem Prozessschritt vollautomatisiert herzustellen, wobei lediglich die gewünschten Anteile der Subfraktionen als Parameter auszuwählen und einzugeben sind. Durch die Steuer- und Regelungstechnik der Anlage wird sichergestellt, dass eine Pulverzusammensetzung maßgeschneidert automatisch exakt nach Kundenwunsch hergestellt werden kann und Veränderungen in der Zusammensetzung schnell und ohne großen Arbeitsaufwand realisiert werden können.
