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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Pulverfüll- bzw. Pulververdichtungsverfahren zur Verwendung in Verfahren und Systemen zur pulverbasierten additiven Fertigung (AM, additive manufacturing).
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HINTERGRUND
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AM-Verfahren oder additive Druckverfahren umfassen allgemein, im Unterschied zu subtraktiven Fertigungsverfahren, den Aufbau eines oder mehrerer Materialien, um ein Objekt mit der Endkontur oder ein endkonturnahes (NNS, near net shape) Objekt herzustellen. Obwohl „additive Fertigung“ eine in der Industrie standardmäßige Bezeichnung (ASTM F2792) ist, umfasst die additive Fertigung (AM) verschiedene Herstellungs- und Prototypenentwicklungstechniken, die unter vielfältigen Namen bekannt sind, zu denen Freiformherstellung, 3D-Druck, Rapid Prototyping (schnelle Prototyperstellung) / Rapid Tooling (schnelle Werkzeugherstellung), etc. gehören. AM-Techniken sind in der Lage, komplexe Komponenten aus vielfältigen Materialien zu fertigen. Im Allgemeinen kann ein freistehendes Objekt aus einem rechnergestützten Entwurfsmodell (CAD-Modell) gefertigt werden. Eine bestimmte Art eines AM-Prozesses verwendet elektromagnetische Strahlung, wie etwa einen Laserstrahl, um ein pulverförmiges Metallmaterial zu sintern oder zu schmelzen, wodurch ein festes dreidimensionales Objekt geschaffen wird. Pulverbasierte Verfahren, wie etwa direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM, direct metal laser melting) und selektives Laser-Schmelzen (SLM, selective laser melting) werden verwendet, um Objekte für vielfältige Industriezweige herzustellen.
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Selektives Laser-Sintern, direktes Laser-Sintern, selektives Laser-Schmelzen und direktes Laser-Schmelzen sind übliche industrielle Bezeichnungen, die verwendet werden, um auf die Herstellung dreidimensionaler (3D-)Objekte unter Verwendung eines Laserstrahls zur Sinterung oder Schmelzung eines feinen Pulvers Bezug zu nehmen. Zum Beispiel beschreiben das
US-Patent Nr. 4,863,538 und das
US-Patent Nr. 5,460,758 herkömmliche Lasersinterungstechniken. Genauer umfasst das Sintern ein Verschmelzen (Agglomerieren) von Partikeln eines Pulvers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvermaterials, während das Schmelzen ein vollständiges Schmelzen von Partikeln eines Pulvers zur Bildung einer festen homogenen Masse umfasst. Die physikalischen Prozesse, die mit Lasersintern oder Laserschmelzen verbunden sind, umfassen eine Wärmeübertragung auf ein Pulvermaterial und anschließend entweder Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Obwohl die Lasersinter- und -schmelzprozesse auf einen weiten Bereich von Pulvermaterialien angewandt werden können, werden die wissenschaftlichen und technischen Aspekte z.B. des Produktionswegs, der Sinter- oder Schmelzgeschwindigkeit und die Auswirkungen der Prozessparameter auf die mikrostrukturelle Entwicklung während des Schichtherstellungsprozesses nur unzureichend verstanden. Dieses Fertigungsverfahren ist von mehreren Modi der Wärme-, Massen- und Impulsübertragung und chemischen Reaktionen begleitet, die den Prozess sehr komplex machen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Querschnittsansicht eines beispielhaften herkömmlichen Systems 100 zum direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) oder direkten Metall-Laser-Schmelzen (DMLM) zeigt. Die Vorrichtung 100 baut Objekte, z.B. das Teil 122, schichtweise durch Sintern oder Schmelzen eines (nicht veranschaulichten) Pulvermaterials unter Verwendung eines Energiestrahls 136, der durch eine Quelle, wie etwa einen Laser 120, erzeugt wird. Das Pulver, das durch den Energiestrahl geschmolzen werden soll, wird durch ein Pulverreservoir 126 zur Verfügung gestellt. Das Pulverreservoir wird auch manchmal als die Pulverdosierkammer bezeichnet. Das Pulver wird gleichmäßig über eine Bauplatte 114 unter Verwendung eines Beschichterarms 116 verteilt, der in eine Richtung 134 verfährt, um das Pulver auf einem Niveau 118 zu halten und überschüssiges Pulvermaterial, das über das Pulverniveau 118 hinausragt, zu einem Abfallbehälter 128 abzuführen. Der Energiestrahl 136 sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des gerade gebauten Objektes unter der Steuerung durch den Galvanometer-Scanner 132. Die Bauplatte 114 wird abgesenkt, und eine weitere Pulverschicht wird über der Bauplatte und dem gerade gebauten Objekt verteilt, gefolgt von einem nachfolgenden Schmelzen / Sintern des Pulvers durch den Laser 120. Der Prozess wird wiederholt, bis das Teil 122 aus dem geschmolzenen / gesinterten Pulvermaterial vollständig aufgebaut ist.
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Frühere Versuche, das Pulver in das Pulverreservoir oder die Dosierkammer zu füllen, konzentrierten sich auf das Einebnen des Schüttpulverkegels innerhalb der Kammer.
2-3 zeigen zwei Systeme, die in der deutschen Patentanmeldung
DE 102012008664 A1 beschrieben sind. In
2 ist der Querschnitt der Deckplatte 215 an den inneren Querschnitt der Dosierkammer 203 angepasst, was ihr ermöglicht, in der Dosierkammer 203 platziert zu werden. Auf diese Weise kann sie die Schüttkegel in das Innere der Dosierkammer drücken, während vermieden wird, dass überschüssiges Pulver über den Randbereich der Dosierkammer nach außen herausgeschoben wird, wenn die Deckplatte den Schüttkegel flachdrückt. Es können Schwingungen in die Deckplatte 215 eingeleitet werden. Um die Oberfläche des Baumaterials zu glätten, ist es möglich, Schwingungselemente an der Deckplatte 215 vorzusehen. Sobald der oberste Teil des Schüttkegels aufgrund der vibrierenden Deckplatte 215 beseitigt worden ist, wird die Deckplatte 215 weiter in die Dosierkammer 203 eingeführt, bis erneut der Kontakt mit dem Schüttkegel auftritt. Dies ermöglicht dem Schüttkegel, schrittweise stufenartig verringert zu werden.
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3 zeigt eine Alternative, in der mehrere Gaszuführelemente 318 an der Unterseite der Deckplatte 315 angeordnet sind. Die Gaszuführelemente 318 weisen eine lanzenförmige Gestalt auf, so dass sie in den aus dem Aufbaumaterial gebildeten Schüttkegel 317 eingetaucht werden können. Durch Einleitung des Gases in die Gaszuführelemente 318 wird der Schüttkegel 317 aufgewirbelt und dadurch begraben. Zum Druckausgleich kann eine Öffnung, die mit einem Filter abgedichtet ist, in der Deckplatte 315 angeordnet sein, wobei die Öffnung die Dosierkammer 303 in einer pulverdichten Weise verschließt. Folglich kann nur das Gas, das in die Dosierkammer 303 eingeleitet wird, die Dosierkammer 303 verlassen, jedoch nicht das Baumaterial 305. Die Gaszuführelemente 318 sind mit einem bestimmten Vorteil in einer kreisförmigen Weise angeordnet; sie können auch aus mehreren konzentrischen Kreisen bestehen. Das Zentrum dieser Kreise ist das Zentrum des Austrittskonus 316, wobei der Kreis oder die Kreise der Gaszuführelemente 318 in einer derartigen Weise angeordnet sind, dass sie sich jeweils unterhalb der Öffnung der Deckplatte 315 befinden, durch die das Aufbaumaterial 305 in die Dosierkammer 303 fällt.
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Derartige Verfahren können gemeinsam mit bekannten manuellen Pulververdichtungsverfahren, z.B. mit einer Kelle, eine ungleichförmige Fülldichte innerhalb des Pulverreservoirs zur Folge haben. Außerdem sind derartige Techniken häufig langsam, und sie können zur Ermüdung eines Bedieners und zu Abweichungen zwischen Stapeln führen. Demgemäß werden verbesserte Systeme und Verfahren benötigt, um Pulver schnell und gleichmäßig in das Pulverreservoir zu füllen bzw. darin zu verdichten.
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KURZBESCHREIBUNG
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Das Folgende stellt eine vereinfachte Kurzbeschreibung eines oder mehrerer Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, um ein Grundverständnis derartiger Aspekte zu vermitteln. Diese Kurzbeschreibung ist keine umfassende Übersicht über alle in Erwägung gezogenen Aspekte und soll weder Schlüsselelemente oder kritische Elemente aller Aspekte identifizieren, noch den Schutzumfang irgendwelcher oder aller Aspekte abzugrenzen. Ihr Zweck besteht darin, einige Konzepte eines oder mehrerer Aspekte in einer vereinfachten Form als Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die hier nachstehend dargeboten wird, zu präsentieren.
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In einem Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Vorbereiten eines Pulvers, das bei der additiven Fertigung verwendet werden soll, wobei das Verfahren die Schritte a) bis c) aufweist. Der Schritt a) umfasst ein Zugeben einer ersten Pulvermenge zu einem Pulverreservoir. Der Schritt b) umfasst ein Einführen eines Verdichtungswerkzeugs in das Pulverreservoir, wobei das Verdichtungswerkzeug mehrere sich nach unten erstreckende Schwingungsübertragungselemente aufweist. Der Schritt c) umfasst ein Versetzen wenigstens der Schwingungsübertragungselemente in Schwingung.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Zugeben einer zweiten Pulvermenge zu dem Pulverreservoir aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner vor dem Schritt a) ein Zuführen eines Pulvers in einen Trichter und Zulassen, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre hindurch in das Pulverreservoir strömt, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Pulverreservoir eine Bodenplatte aufweisen, und das Verdichtungswerkzeug kann eine Deckplatte, die mehreren Schwingungsübertragungselemente und wenigstens einen Drucksensor aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Versetzen wenigstens der mehreren Schwingungsübertragungselemente in Schwingung und gleichzeitiges Anheben der Bodenplatte mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren noch weiter ein Anheben der Deckplatte und Drehen der Deckplatte um 90° aufweisen.
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Zusätzlich kann das Verfahren ferner in einigen Ausführungsformen ein Absenken der Deckplatte in das Pulverreservoir hinein aufweisen. Weiter zusätzlich kann das Verfahren in einigen Ausführungsformen ferner ein Wiederholen der Schritte des Versetzens wenigstens der mehreren Schwingungsübertragungselemente in Schwingung und des gleichzeitigen Anhebens der Bodenplatte mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Grenzwert erreicht wird, des Anhebens der Deckplatte, des Drehens der Deckplatte um 90° und des Absenkens der Deckplatte in das Pulverreservoir hinein aufweisen, und zwar ein Wiederholen, bis die Deckplatte um wenigstens 360° in Bezug auf ihre ursprüngliche Position gedreht worden ist.
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In einigen Ausführungsformen kann jedes beliebige vorstehend erwähnte Verfahren ferner, bevor zugelassen wird, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre in das Pulverreservoir strömt, ein Absenken der Bodenplatte aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ, bevor zugelassen wird, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre in das Pulverreservoir strömt, ein Verriegeln der Deckplattenposition über dem oberen Rand des Pulverreservoirs aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ, bevor zugelassen wird, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre in das Pulverreservoir strömt, den Schritt des Anhebens der Bodenplatte aufweisen, bis entweder der Drucksensor einen Pulververdichtungsgrenzwert erfasst oder die mehreren Schwingungsübertragungselemente, die sich von der Deckplatte nach unten erstrecken, mit der Bodenplatte in Kontakt gelangen.
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In bevorzugten Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens können die Schritte des Versetzens wenigstens der mehreren Schwingungsübertragungselemente und des gleichzeitigen Anhebens der Bodenplatte mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird, des Anhebens der Deckplatte, des Drehens der Deckplatte um 90° und des Absenkens der Deckplatte in das Pulverreservoir eine Menge des Pulvers zwischen der Deck- und der Bodenplatte füllen bzw. darin verdichten. In einigen Aspekten ist das Pulverreservoir von dem Trichter, dem einen oder den mehreren Rohren und der Deckplatte trennbar.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung zum Pulververdichten, die einen Pulvertrichter, ein oder mehrere Rohre, die den Pulvertrichter mit einem Pulverreservoir verbinden, ein Verdichtungswerkzeug, das mehrere sich nach unten erstreckende Schwingungsübertragungselemente aufweist, und einen Schwingungsisolationsring um das eine oder die mehreren Rohre herum aufweist.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verdichtungswerkzeug eine Deckplatte aufweisen, die die mehreren sich nach unten erstreckenden Schwingungsübertragungselemente aufweist und die ferner einen Drucksensor aufweist. In einigen Ausführungsformen kann das eine oder können die mehreren Rohre, die den Pulvertrichter mit dem Pulverreservoir verbinden, offen oder geschlossen sein. In einigen Ausführungsformen kann das Pulverreservoir eine Bodenplatte aufweisen, und die mehreren Schwingungsübertragungselemente können sich von der Deckplatte zu der Bodenplatte nach unten erstrecken. In einigen Aspekten kann das Pulverreservoir von der Vorrichtung trennbar sein.
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Diese und weitere Aspekte der Offenbarung werden bei einer Durchsicht der detaillierten Beschreibung, die folgt, umfassender verstanden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine beispielhafte herkömmliche Pulverbettvorrichtung zur additiven Fertigung.
- 2 zeigt eine herkömmliche Pulververdichtungsvorrichtung, die eine Deckplatte enthält.
- 3 zeigt eine herkömmliche Pulververdichtungsvorrichtung, die Gaszuführelemente enthält.
- 4A zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
- 4B zeigt eine Ansicht auf die Unterseite eines beispielhaften Verdichtungswerkzeugs zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung.
- 5A-5C zeigen eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die detaillierte Beschreibung, die nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, ist als eine Beschreibung verschiedener Konfigurationen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, nur diejenigen Konfigurationen zu repräsentieren, in denen die hierin beschriebenen Konzepte umgesetzt werden können. Die detaillierte Beschreibung enthält spezifische Details für den Zweck der Vermittlung eines grundliegenden Verständnisses der verschiedenen Konzepte. Jedoch wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass diese Konzepte ohne diese speziellen Details umgesetzt werden können. In einigen Fällen sind allgemein bekannte Komponenten in einer Blockdiagrammform veranschaulicht, um ein Hervorrufen von Unklarheiten bezüglich derartiger Konzepte zu vermeiden.
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Die vorliegende Anmeldung betrifft automatisierte Verfahren zum Vorbereiten eines Pulvers, der bei der additiven Fertigung verwendet werden soll. Derartige Verfahren unterscheiden sich von herkömmlichen Pulvervorbereitungsverfahren durch Beseitigung manueller Kraft und nicht standardmäßiger Ausrüstung und Prozeduren. Durch Automatisierung des Pulververdichtungsprozesses verbessert die vorliegende Offenbarung die Prozessstandardisierung, sie reduziert körperlichen Verschleiß an dem Bediener und verbessert die Maschinendurchlaufzeit (z.B. durch Minimierung der Vorbereitungszeitdauer).
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4A zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Verwendung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Es wird eine erste Pulvermenge 406 einem Pulverreservoir 404 zugeführt. In einigen Aspekten kann das Pulverreservoir 404 eine Bodenplatte 405 aufweisen. In einigen Aspekten kann das Pulver über einer Trichter 407 und ein oder mehrere Rohre 403, die von dem Trichter 407 aus verlaufen, zugeführt werden. In einigen Aspekten kann dem Pulver gestattet werden, aus dem Trichter 407 durch ein oder mehrere Rohre 403 hindurch in das Pulverreservoir 404 hinein für eine Zeitdauer zu strömen. In einigen Aspekten kann das eine oder können die mehreren Rohre 403 offen oder geschlossen sein. In einigen Aspekten kann die Bodenplatte 405 in ein Pulverreservoir 404 abgesenkt werden, bevor zugelassen wird, dass das Pulver aus dem Trichter 407 durch ein oder mehrere Rohre 403 in das Pulverreservoir 404 strömt. Ein Verdichtungswerkzeug 410, das mehrere sich nach unten erstreckende Schwingungsübertragungselemente 401 aufweist, kann in das Pulver enthaltende Reservoir 404 eingeführt und in Schwingung versetzt werden, um das Pulver in dem Reservoir 404 zu verdichten und eine (nicht veranschaulichte) verdichtete Pulverschicht zu bilden. Die Vorrichtung ( 4A) kann ferner einen Schwingungsisolationsring 411 aufweisen, der helfen kann, Schwingungen zu dämpfen und/oder zu isolieren und diese auf das Verdichtungswerkzeug 410 örtlich zu begrenzen. Nach dem Verdichten der ersten Pulvermenge kann eine zweite Pulvermenge über der verdichteten Pulverschicht zugegeben werden, und der Prozess kann wiederholt werden.
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4B zeigt ein Beispiel der Unterseite eines Verdichtungswerkzeugs 410 zur Verwendung mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß vorliegenden Offenbarung. Das Verdichtungswerkzeug 410 kann eine Deckplatte 400 aufweisen, die die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 aufweist, die sich nach unten erstrecken, und kann ferner einen oder mehrere Drucksensoren 402 aufweisen. In einigen Aspekten kann die Position der Deckplatte 400 oder des Verdichtungswerkzeugs 410 über dem oberen Rand des Pulverreservoirs 404 verriegelt werden, bevor zugelassen wird, dass Pulver aus dem Trichter 407 durch ein oder mehrere Rohre 403 in das Pulverreservoir 404 strömt. In einigen Aspekten verlaufen das eine oder die mehreren Rohre 403 von dem Trichter 407 zu der Mitte der Deckplatte 400. In einigen Aspekten verlaufen das eine oder die mehreren Rohre 403 von dem Trichter 407 zu der Mitte und zu einer oder mehreren Ecken der Deckplatte 400. In einigen Aspekten kann, bevor zugelassen wird, dass Pulver aus dem Trichter 407 durch ein oder mehrere Rohre 403 hindurch in das Pulverreservoir 404 strömt, die Bodenplatte 405 angehoben werden, bis entweder der eine oder die mehreren Drucksensoren 402 einen Pulververdichtungsgrenzwert erfassen oder die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401, die von der Deckplatte 400 nach unten ragen, mit der Bodenplatte 405 in Kontakt gelangen.
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Die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 können sich über eine beliebige Länge nach unten erstrecken; es liegt innerhalb der Kenntnisse von Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet, geeignete Längen für die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 zu bestimmen. In einigen Aspekten erstrecken sich die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 von dem Verdichtungswerkzeug 410 aus über eine Länge nach unten, die eine Funktion der Höhe des Pulverreservoirs 404 und/oder der Höhe des Pulvers in dem Pulverreservoir 404 ist. Zum Beispiel kann ein höheres Pulverreservoir 404 oder eine größere Pulverhöhe mit einem Verdichtungswerkzeug 401 mit längeren mehreren Schwingungsübertragungselementen 401 verwendet werden. In einigen Aspekten kann das Verhältnis der Höhe des Pulverreservoirs 404 zu der Länge der mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 im Bereich von 4:1 bis 8:1 oder bei einem beliebigen Verhältnis dazwischen liegen. Die Schwingungsübertragungselemente 401 eignen sich bevorzugterweise dazu, Schwingungen von dem Verdichtungswerkzeug 410 auf das darunterliegende Pulver zu übertragen. In einer Ausführungsform werden die Schwingungen durch feste zylindrische Schwingungsübertragungselemente 401 übertragen. Die Gestalt der mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 kann auch eine andere Gestalt, wie etwa quadratisch oder rechteckig, sein.
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Das Pulverreservoir 404 kann beliebige Abmessungen aufweisen, die sich zur Verwendung mit dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung eignen. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine rechteckige oder quadratische Basis mit Seitenwänden auf, die von den Rändern der Basis aufsteigen. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine Wandhöhe von nicht mehr als 4 Fuß auf. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine Wandhöhe von nicht mehr als 3 Fuß auf. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine rechteckige oder quadratische Basis auf, die auf wenigstens einer Seite nicht weniger als 1 Fuß lang ist. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine quadratische Basis auf, die auf wenigstens einer Seite nicht mehr als 5 Fuß lang ist.
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Das mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 können eine beliebige Dicke aufweisen. In einigen Aspekten weisen die mehreren Vorsprünge eine Dicke von nicht mehr als 1,5 Zoll auf. In einigen Aspekten weisen die mehreren Vorsprünge eine Dicke von nicht weniger als 0,25 Zoll auf.
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Die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 können eine beliebige Anzahl von Schwingungsübertragungselementen oder eine beliebige Reihenanzahl aufweisen. In einigen Aspekten ist die Anzahl der Schwingungsübertragungselemente 401 eine Funktion der Weite und/oder Tiefe des Pulverreservoirs 404. In einigen Aspekten ist die Anzahl der Schwingungsübertragungselemente eine Funktion der Dicke der Schwingungsübertragungselemente. Zum Beispiel ist die Anzahl der Schwingungsübertragungselemente umso größer, je kleiner die Schwingungsübertragungselementdicke ist. Ohne auf irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass eine Dämpfungszone um jedes Schwingungsübertragungselement herum vorhanden sein kann, die im Vergleich zu der Verwendung einer Schwingungsplatte alleine verbesserte Pulververdichtungsfähigkeiten bietet. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Pulververdichtung ohne die Einbringung von Gas oder irgendeines anderen Mittels zur Pulververdichtung, wie bspw. einer manuellen Verdichtung mittels einer Kelle.
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5A-5C zeigen eine schematische Darstellung von Schritten zur Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung gemäß einigen Aspekten. In 5A wird ein Verdichtungswerkzeug 410 in das Pulverreservoir 404 abgesenkt, das eine erste Pulvermenge 406 enthält, die gewöhnlich einen durch die Einfüllmaßnahme gebildeten Schüttpulverkegel aufweist. Während das Verdichtungswerkzeug 410 abgesenkt wird, werden die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 in die erste Pulvermenge 406 eingetaucht ( 5B). Sobald es bis zu einer gewünschten Tiefe eingetaucht ist, wird das Verdichtungswerkzeug 410 in Schwingung versetzt, und die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 übertragen die Schwingungen nach unten in das Pulver hinein. In einigen Aspekten wird die Deckplatte 400 in Schwingungen versetzt, während sie abgesenkt wird. In einigen Aspekten wird die Deckplatte 400 abgesenkt, während die Bodenplatte 405 gleichzeitig angehoben wird. Die mehreren Vorsprünge 401 können in Schwingungen versetzt werden, während gleichzeitig die Bodenplatte 405 mit einer Geschwindigkeit angehoben wird, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht ist, wie dies durch den einen oder die mehreren Druckmesser 402 erfasst wird. In einigen Aspekten kann der Druckgrenzwert und/oder die Geschwindigkeit, mit der die Bodenplatte 405 angehoben wird, unter Verwendung eines Computers gesteuert werden. Es wird angenommen, dass die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 die Schwingungen nach unten in das Pulver hinein zwischen der Deckplatte 400 und der Bodenplatte 405 ausdehnen. Die Verwendung eines vorbestimmten Druckgrenzwertes kann die Gleichmäßigkeit der Pulververdichtung verbessern. Die Schwingungen können bei einer beliebigen geeigneten Frequenz und für eine beliebige geeignete Zeitdauer erfolgen.
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Nach einer geeigneten oder gewünschten Schwingungsdauer kann das Verdichtungswerkzeug 410 aus dem Pulverreservoir 404 heraus angehoben werden (5C). Das Verdichtungswerkzeug 410 kann angehoben, um 90° gedreht und in das Pulverreservoir 404 hinein abgesenkt werden. Die Schritte des Versetzens wenigstens der mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 in Schwingung und des gleichzeitigen Anhebens der Bodenplatte 405 mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird, des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 410, des Drehens des Verdichtungswerkzeugs 410 um 90° und des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 410 in das Pulverreservoir 404 hinein können wiederholt werden. In einigen Aspekten verdichten die Schritte eine Pulvermenge zwischen der Deckplatte 400 und der Bodenplatte 405. In einigen Aspekten können die Schritte wiederholt werden, bis das Verdichtungswerkzeug 410 um insgesamt 360° oder ein Mehrfaches davon im Vergleich zu seiner ursprünglichen Position gedreht worden ist. In einigen Aspekten wird das Verdichtungswerkzeug 410 um 360° oder ein Mehrfaches davon in Bezug auf seine ursprüngliche Position gedreht, so dass irgendwelche Löcher, die durch die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401 in dem Pulver erzeugt werden, während oder infolge der Drehung(en) mit Pulver gefüllt werden.
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In einigen Aspekten kann ein Computer ferner dazu verwendet werden, Bewegungen des Verdichtungswerkzeugs 410, eine Einleitung der Pulverzuführung in den Trichter 407, die Initiierung der Schwingungen der Schwingungsübertragungselemente 401 und das Anheben und Absenken der Bodenplatte 405 zu steuern. Ein Anheben oder Absenken der Deckplatte 400, des Verdichtungswerkzeugs 410 und/oder der Bodenplatte 405 kann über (eine) beliebige geeignete Strecke(n) erfolgen; ein Bestimmen derartiger Strecke(n) liegt innerhalb der Kenntnisse von Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet.
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In einigen Aspekten weist die Vorrichtung den Trichter 407, ein oder mehrere Rohre 403, den Schwingungsisolationsring 411 und das Verdichtungswerkzeug 410 auf, und sie kann von dem Pulverreservoir 404 trennbar sein. Die Vorrichtung kann durch jedes beliebige geeignete Mittel, das für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bekannt ist, von dem Pulverreservoir 404 trennbar oder mit diesem verbindbar sein.
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Die Vorrichtung, der Trichter 407, das eine oder die mehreren Rohre 403, der Schwingungsisolationsring 411, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401, das Pulverreservoir 404, die Bodenplatte 405 und ein oder mehrere Drucksensoren können aus beliebigen geeigneten, in der Technik bekannten Materialien gebildet sein. Vorzugsweise verunreinigen Teile, die mit dem Pulver in Kontakt kommen können, wie etwa der Trichter 407, das eine oder die mehreren Rohre 403, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401, ein oder mehrere Drucksensoren, das Pulverreservoir 404 und die Bodenplatte 405, das Pulver nicht. Außerdem sind die Vorrichtung, der Trichter 407, das eine oder die mehreren Rohre 403, der Schwingungsisolationsring 411, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, die mehreren Schwingungsübertragungselemente 401, das Pulverreservoir 404, die Bodenplatte 405 und der eine oder die mehreren Drucksensoren vorzugsweise aus Materialien hergestellt, die Schwingungen mit der Frequenz und Dauer, die gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, standhalten können.
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Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung können mit beliebigen pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren und -vorrichtungen, wie etwa DMLM oder SLM, verwendet werden. Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung können mit einem beliebigen Pulvermaterial verwendet werden; vorzugsweise reagiert das Pulver nicht mit dem (den) Material(ien), aus dem (denen) die Vorrichtung besteht.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten. Aspekte von den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen sowie andere bekannte Äquivalente für jeden derartigen Aspekt können von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet miteinander vermischt und angepasst werden, um weitere Ausführungsformen und Techniken gemäß den Prinzipien dieser Anmeldung zu schaffen.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Verdichten von Pulver für additive Fertigungs(AM)-Verfahren und -Systeme. Herkömmliche Pulververdichtungsverfahren konzentrieren sich auf das Einebnen des Schüttpulverkegels in dem Pulverreservoir. Außerdem können derartige Verfahren manuell und nicht standardisiert sein, und sie führen zu einer Ermüdung des Bedieners und haben möglicherweise Produktinkonsistenzen zur Folge. Eine Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessert die Standardisierung und reduziert die Durchlaufzeit mit dem Potenzial, die Kosten der additiven Fertigung zu senken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4863538 [0003]
- US 5460758 [0003]
- DE 102012008664 A1 [0005]
