DE102017207415A1

DE102017207415A1 - Vorrichtung zur Separation und Behandlung metallischer Partikel

Info

Publication number: DE102017207415A1
Application number: DE102017207415.9A
Authority: DE
Inventors: Ronny Schütze; Ricardo Herbig
Original assignee: ULT AG
Current assignee: ULT AG
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Separation und Behandlung metallischer Partikel werden die bei einem generativen pulverbasierten Herstellungsverfahren aus einem mit einem auslenkbaren Energiestrahl Pulverbett gebildeten und mit einem abgesaugten Rohgas mindestens einem Filterelement (2) zugeführt. Die mit dem mindestens einen Filterelement (2) separierten metallischen Partikel lagern sich am Boden eines vertikal unterhalb des mindestens einen Filterelements (2) angeordneten Sammelbehälters (6) ab. Im Bereich des Bodens des Sammelbehälters (6) ist eine Behandlungskammer (8) angeschlossen oder dort anschließbar. Am Boden des Sammelbehälters (6) ist eine gasdicht verschließbare erste Öffnung ausgebildet, durch die aus dem Rohgas separierte metallische Partikel in die Behandlungskammer (8) gelangen, wenn ein erstes Verschlusselement die erste Öffnung freigibt. Die Behandlungskammer (8) ist so ausgebildet, dass die metallischen Partikel ihre chemische Reaktivität bei wieder verschlossener erster Öffnung zumindest soweit reduzieren, dass bei einer Öffnung der Behandlungskammer (8) und den Kontakt mit Sauerstoff keine spontane Oxidationsreaktion auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Separation und Behandlung metallischer Partikel, die bei einem generativen pulverbasierten Herstellungsverfahren mit einem auslenkbaren Energiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl in einem Pulverbett gebildet und mit einem abgesaugten Rohgas mindestens einem Filterelement zugeführt werden, wobei sich die mit dem mindestens einen Filterelement separierten Partikel am Boden eines vertikal unterhalb des mindestens einen Filterelements angeordneten Sammelbehälters ablagern.
Bei diesen pulverbasierten Herstellungsverfahren werden Partikel durch die Energie lokal definiert miteinander verschmolzen oder versintert. Dabei bilden sich aus temporär in die Gasphase überführtem Metall sehr feine Partikel mit sehr kleiner Partikelgröße. Sie werden mit dem aus der Vorrichtung zur Herstellung der Bauteile abgesaugten Rohgasstrom zu einer Separationseinrichtung geführt und aus dem Rohgas mit einem Filterelement separiert und dann in einem Behälter gelagert. Insbesondere wegen der kleinen Partiklegröße sind die Partikel chemisch sehr reaktiv und es kommt bei Kontakt mit Sauerstoff zu spontanen Oxidationsreaktionen. Um diesem Problem entgegenzutreten, erfolgt die Absaugung des Rohgases und auch die Lagerung der separierten metallischen Partikel in einer sauerstofffreien inerten Atmosphäre. Üblicherweise wird die Atmosphäre mit Argon als ein geeignetes Edelgas gebildet, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.
Da aber die zwischengelagerten und separierten Partikel von Zeit zu Zeit aus der Separationsvorrichtung entnommen werden müssen und dabei ein Kontakt mit Sauerstoff unvermeidbar ist, werden die zwischengelagerten Partikel mit einem inerten Stoff abgedeckt und ggf. vermischt, so dass die Konzentration an Partikeln verringert und die Abstände von Partikeln zueinander vergrößert werden.
Trotzdem ist eine Entsorgung so behandelter metallischer Partikel nicht problemlos möglich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine problemlose oder sichere Entsorgung von bei der generativen pulverbasierten Herstellung von Bauteilen bei einer Separation anfallenden feinen metallischen Partikeln anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Ein Verfahren dazu ist mit dem Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen angegebenen Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Separation und Behandlung werden metallische Partikel, die bei einem generativen Herstellungsverfahren aus einem mit einem auslenkbaren Energiestrahl Pulverbett gebildet und mit einem abgesaugten Rohgas mindestens einem Filterelement zugeführt. Die mit dem mindestens einen Filterelement separierten metallischen Partikel lagern sich am Boden eines vertikal unterhalb des mindestens einen Filterelements angeordneten Sammelbehälters ab.
Im Bereich des Bodens des Sammelbehälters ist eine Behandlungskammer an den Sammelbehälter angeschlossen oder kann dort angeschlossen werden. Am Boden des Sammelbehälters ist eine gasdicht verschließbare erste Öffnung ausgebildet, durch die aus dem Rohgas separierte metallische Partikel in die Behandlungskammer gelangen, wenn ein erstes Verschlusselement die erste Öffnung freigibt.
Die Behandlungskammer ist so ausgebildet, dass die metallischen Partikel ihre chemische Reaktivität bei wieder verschlossener erster Öffnung zumindest soweit reduzieren, dass bei einer Öffnung der Behandlungskammer und den Kontakt mit Sauerstoff keine spontane Oxidationsreaktion auftritt.
Während der Durchführung der Behandlung der metallischen Partikel sollte die Behandlungskammer vollständig geschlossen sein, so dass ein Austritt von Stoffen aus der Behandlungskammer während der Behandlung verhindert ist und bei den meissten geeigneten Behandlungen auch keine Stoffe in die Behandlungskammer eintreten, zumindest nicht unkontrolliert eintreten können.
Vorteilhaft kann an der Behandlungskammer eine zweite mit einem zweiten Verschlusselement gasdicht verschließbare zweite Öffnung vorhanden sein, aus der dann die behandelten und ungefährlich gemachten metallischen Partikel aus der Behandlungskammer entfernt werden können. Erstes und zweites Verschlusselement sollten so aktiviert werden, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Verschlusselement die Behandlungskammer gasdicht verschlossen ist. Die Behandlungskammer kann also quasi wie eine Schleuse fungieren, in die gefährliche metallische Partikel gelangen, nach dem Verschluss der Behandlungskammer die jeweilige Behandlung der metallischen Partikel durchgeführt und nach deren erfolgreichem Abschluss die zweite Öffnung geöffnet und die behandelten Partikel einer Entsorgung bzw. einer weiteren nachfolgenden Verarbeitung zugeführt werden.
Dadurch können Gefährdungen vermieden werden, da die im Sammelbehälter abgelagerten metallischen Partikel nach der Separation in einer inerten Atmosphäre gehalten werden können, die auch beim Eintritt durch die erste Öffnung in der Behandlungskammer aufrechterhalten werden kann, da die Behandlungskammer gasdicht abgeschlossen mit dem Sammelbehälter verbunden sein sollte und auch ein gasdichter Abschluss gegenüber der Umgebung eingehalten werden sollte.
Ist an einer Behandlungskammer lediglich eine erste Öffnung vorhanden, ist es vorteilhaft die Behandlungskammer lösbar am Sammelbehälter zu befestigen. Nach erfolgreich durchgeführter Behandlung der metallischen Partikel kann die Behandlungskammer abgenommen und entleert werden. Die entleerte Behandlungskammer kann wieder eingesetzt werden. Es ist aber auch ein Austausch von Behandlungskammern möglich.
Verschlusselemente können mit mindestens einer um eine Achse drehbare Klappe, an der ein geeignetes Dichtelement vorhanden ist, gebildet sein. Sie können mittels einer Feder in der geschlossenen Stellung gehalten werden.
Die metallischen Partikel können gravitationskraftbedingt aus dem Sammelbehälter bei geöffneter erster Öffnung in die Behandlungskammer fallen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dies mit Unterstützung mindestens eines Druckstosses, wie er bei der Abreinigung von Filterelementen üblich ist, zu unterstützen.
In der Behandlungskammer kann eine Sprühvorrichtung für ein Besprühen der in die Behandlungskammer fallenden metallischen Partikel mit einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension und/oder ein Bad einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension vorhanden sein. Die metallischen Partikel können dadurch zumindest an ihrer Oberfläche versiegelt werden, so dass ein direkter Kontakt der metallischen Partikel mit Sauerstoff vermieden werden kann.
Bei geeigneter Auswahl einer Flüssigkeit, Lösung oder Emulsion kann diese als Bindemittel fungieren. Dies kann vorteilhaft für eine Pelletierung ausgenutzt werden. Dazu kann eine Pelletiereinrichtung an die zweite Öffnung der Behandlungskammer angeschlossen sein. Die so behandelten metallischen Partikel können aber auch aus der Behandlungskammer einer Pelletiereinrichtung zugeführt werden.
Als Flüssigkeit kann beispielsweise Paraffin, Glyzerin oder eine Paraffin oder Glyzerin enthaltende Lösung, Emulsion oder Suspension eingesetzt werden. Bevorzugt sind dabei wässrige Lösungen oder Emulsionen. Eine darin enthaltende organische chemische Verbindung kann beim Pelletieren als Binde- oder Presshilfsmittel genutzt werden.
Die Behandlung in der Behandlungskammer kann aber auch so durchgeführt werden, dass durch ein Fenster in die Behandlungskammer ein Laserstrahl zum Agglomerieren, Sintern und/oder Schmelzen metallischer Partikel auf die in der Behandlungskammer angeordneten metallischen Partikel gereichtet ist.
In einer weiteren Alternative kann in/an der Behandlungskammer eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung, mit der ein Agglomerieren, Sintern und/oder Schmelzen der metallischen Partikel erreichbar ist, vorhanden sein.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass an der Behandlungskammer eine dosierbare Zuführung für Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch angeschlossen ist, mit der ein vorgebbarer Sauerstoffanteil oder eine vorgebbare Sauerstoffkonzentration in der Behandlungskammer einstellbar ist, mit der ausschließlich eine Oxidbildung an den Oberflächen der in der Behandlungskammer enthaltenen metallischen Partikel erreichbar ist. Die Zuführung sollte dabei so angeordnet und gestaltet sein, dass Sauerstoff oder Gasgemisch die metallischen Partikel umströmt. Dies kann soweit geführt sein, dass die metallischen Partikel im zugeführten Gasstrom verwirbelt werden.
Da Sauerstoff infolge Oxidation verbraucht wird, sollte eine bevorzugt kontinuierliche Nachführung erfolgen. Dazu kann in der Behandlungskammer für eine geregelt Zuführung mindestens ein Sauerstoffsensor vorhanden sein. Der Sauerstoffgehalt in der Behandlungskammer sollte während der Behandlung je nach Art der zu separierenden metallischen Partikel auf einem Anteil gehalten werden, mit dem lediglich eine partielle Oxidation möglich ist. So sollte sich maximal eine Oxidschicht an den Partikeloberflächen bilden und bei der Oxidation der Sauerstoff verbraucht worden ist, so dass keine weitere Oxidationsreaktion mehr möglich ist. Die Art der jeweiligen Partikel wird im Wesentlichen durch den Partikelwerkstoff und die Partikelgröße bestimmt.
Die hier erwähnten und erläuterten Behandlungsmöglichkeiten der metallischen Partikel können auch miteinander kombiniert werden, so dass die Behandlung mit mehreren Verfahren gleichzeitig oder sequentiell nacheinander durchgeführt werden kann.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 in schematischer Form ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei sind in einem Gehäuse 1 zwei Filterelemente 2 nebeneinander angeordnet, die gleichzeitig oder auch sequentiell für eine Separation metallischer Partikel genutzt werden können. Vertikal unterhalb der Filterelemente 2, die mittels Druckstößen abgereinigt werden können, ist ein Sammelbehälter 6 angeordnet in den von den Filterelementen 2 abgereinigte metallische Partikel gravitationskraftbedingt herabfallen können.
Am Sammelbehälter 6 ist außerdem eine Zuführung 5 für metallische Partikel enthaltendes Rohgas vorhanden. Aus dem Rohgas fällt ein Teil der enthaltenenen metallische Partikel ebenfalls in den Sammelbehälter 6. Ein anderer Teil der im Rohgas enthaltenen metallischen Partikel gelangt mit der Saugwirkung eines an das Gehäuse 1 angeschlossenen Verdichters (nicht gezeigt) zu den Filterelementen 2 und wird damit aus dem Rohgas separiert.
Im Sammelbehälter 6 bildet sich ein Pulverbett 9 mit den separierten metallischen Partikeln aus. In dem Pulverbett 9 ist eine Behandlungskammer 8 angeordnet, die mit einer ersten Öffnung versehen ist, durch die separierte metallische Partikel aus dem Pulverbett 9 in die Behandlungskammer 8 gelangen können. An der Behandlungskammer 8 ist eine zweite Öffnung vorhanden, aus der behandelte nicht mehr oder nur noch geringfügig reaktive Produkte, die mit oder aus den metallischen Partikeln in der Behandlungskammer 8 gebildet worden sind, abgeführt werden können. Diese können in einem geschlossenen Transportbehälter 7 zu einer weiteren Nachbehandlung oder Deponierung transportiert werden.
Die erste und zweite Öffnung sind jeweils mit einem fluiddichten Verschlusselement versehen, das ebenfalls, wie die erste und die zweite Öffnung nicht gezeigt ist, temporär zumindest während der Durchführung der Behandlung fluiddicht verschlossen werden kann.
Oberhalb des Sammelbehälters 6 und vertikal unterhalb der Filterelemente 2 sind Strömungsleit- oder Drosselelemente 3 und 10 angeordnet, mit denen eine Beeinflussung der Strömung des zu den Filterelementen 2 geführten Rohgasstromes möglich ist. Diese können auch temporär für einen vollständigen Verschluss genutzt werden.
Das Gehäuse 1 und der Sammelbehälter 6 sind über Flansche 4 fluiddicht miteinander verbunden.
Die Behandlungskammer 8 kann zu einer Kompaktierung, insbesondere einer Pelletierung oder Brikettierung ausgebildet sein. Dazu kann im Inneren beispielsweise ein Extruder oder eine Presseinrichtung vorhanden sein, mit dem/der eine Komprimierung der metallischen Partikel ggf. unter Zuführung eines geeigneten Bindemittels erreicht werden kann.
Sowie im Sammelbehälter 6 sollte auch in der Behandlungskammer 8 eine inerte Atmosphäre eingehalten sein.

Claims

Vorrichtung zur Separation und Behandlung metallischer Partikel, die bei einem generativen pulverbasierten Herstellungsverfahren aus einem mit einem auslenkbaren Energiestrahl Pulverbett gebildet und mit einem abgesaugten Rohgas mindestens einem Filterelement (2) zugeführt werden, wobei sich die mit dem mindestens einen Filterelement (2) separierten metallischen Partikel am Boden eines vertikal unterhalb des mindestens einen Filterelements (2) angeordneten Sammelbehälters (6) ablagern, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Bodens des Sammelbehälters (6) eine Behandlungskammer (8) angeschlossen oder dort anschließbar ist und am Boden des Sammelbehälters (6) eine gasdicht verschließbare erste Öffnung ausgebildet ist, durch die aus dem Rohgas separierte metallische Partikel in die Behandlungskammer (8) gelangen, wenn ein erstes Verschlusselement die erste Öffnung freigibt und die Behandlungskammer (8) so ausgebildet ist, dass die metallischen Partikel ihre chemische Reaktivität bei wieder verschlossener erster Öffnung zumindest soweit reduzieren, dass bei einer Öffnung der Behandlungskammer (8) und den Kontakt mit Sauerstoff keine spontane Oxidationsreaktion auftritt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Behandlungskammer (8) eine zweite mit einem zweiten Verschlusselement gasdicht verschließbare zweite Öffnung vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungskammer (8) eine Sprühvorrichtung für ein Besprühen der in die Behandlungskammer (8) fallenden metallischen Partikel mit einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension und/oder ein Bad einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension vorhanden ist/sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungskammer (8) ein Fenster durch das ein Laserstrahl zum Agglomerieren, Sintern und/oder Schmelzen metallischer Partikel auf die in der Behandlungskammer angeordneten metallischen Partikel gereichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in/an der Behandlungskammer (8) eine Heizeinrichtung, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung, mit der ein Agglomerieren, Sintern und/oder Schmelzen der metallischen Partikel erreichbar ist, vorhanden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Behandlungskammer (8) eine dosierbare Zuführung für Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch angeschlossen ist, mit der ein vorgebbarer Sauerstoffanteil oder eine vorgebbare Sauerstoffkonzentration in der Behandlungskammer (8) einstellbar ist, mit der ausschließlich eine Oxidbildung an den Oberflächen der in der Behandlungskammer (8) enthaltenen metallischen Partikel erreichbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erstes und zweites Verschlusselement so aktivierbar sind, dass zu jedem Zeitpunkt mindestens ein Verschlusselement die Behandlungskammer (8) gasdicht verschließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die zweite Öffnung der Behandlungskammer (8) eine Pelletiereinrichtung angeschlossen ist oder aus der zweiten Öffnung metallische Partikel einer Pelletiereinrichtung zuführbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit eine Paraffin, Glyzerin oder eine Paraffin oder Glyzerin enthaltende Lösung, Emulsion oder Suspension eingesetzt ist.
Verfahren zur Separation und Behandlung metallischer Partikel, die bei einem generativen Herstellungsverfahren aus einem mit einem auslenkbaren Energiestrahl Pulverbett gebildet und mit einem abgesaugten Rohgas mindestens einem Filterelement (2) zugeführt werden, wobei sich die mit dem mindestens einen Filterelement (2) separierten Partikel am Boden eines vertikal unterhalb des mindestens einen Filterelements angeordneten Sammelbehälters (6) ablagern; wobei sequentiell am Boden des Sammelbehälters (6) abgelagerte metallische Partikel durch Öffnung eines ersten Verschlusselements über eine am Boden des Sammelbehälters (6) angeordnete erste Öffnung in eine dort am Sammelbehälter (6) angeschlossene oder anschließbare Behandlungskammer (8) gelangen und bei wieder verschlossener erster Öffnung in der geschlossenen Behandlungskammer (8) die metallischen Partikel einer Behandlung unterzogen werden, bei der die chemische Reaktivität der metallischen Partikel zumindest soweit reduziert wird, dass bei einer Öffnung der Behandlungsammer (8) und den Kontakt mit Sauerstoff keine spontane Oxidationsreaktion auftritt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der metallischen Partikel in der geschlossenen Behandlungskammer (8) mit mindestens einem der nachfolgenden Vorgehensweisen durchgeführt wird: ein Besprühen der in die Behandlungskammer (8) fallenden metallischen Partikel mit einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension, Einführen der metallischen Partikel in ein Bad einer Flüssigkeit, Lösung, Emulsion oder Suspension, Bestrahlung der metallischen Partikel mit einem Laserstrahl so dass, eine Agglomeration, ein Versintern oder ein Verschmelzen der Partikel miteinander erreicht wird, mit einer Heizeinrichtung eine Agglomeration, ein Versintern oder ein Verschmelzen der Partikel miteinander erreicht wird oder mit einer dosierten Zuführung von Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gasgemisch ein vorgebbarer Sauerstoffanteil oder eine vorgebbare Sauerstoffkonzentration in der Behandlungskammer (8) eingestellt wird und dadurch ausschließlich eine Oxidbildung an den Oberflächen der in der Behandlungskammer (8) enthaltenen metallischen Partikel erreicht wird.