DE102019131040A1

DE102019131040A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trocknen eines Pulvers für die additive Fertigung

Info

Publication number: DE102019131040A1
Application number: DE102019131040.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Jakschik; Madeleine Berger; Lucas Glade; Rüdiger Tüshaus; Frank Schubert; Bernd Schob
Original assignee: Assonic Dorstener Siebtechnik GmbH; ULT AG
Current assignee: Assonic Dorstener Siebtechnik De GmbH; ULT AG, DE
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2021-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Pulvers für die additive Fertigung mit folgenden Schritten: Ein Pulver P wird über eine regelbare Aufgabeeinheit in einen Gasstrom G eingeleitet oder unmittelbar in ein Trocknungsmodul A01 eingeleitet; das Pulver P wird in dem Trocknungsmodul A01 während des Trocknens in eine Transportrichtung bewegt, die durch die Strömungsrichtung des Gasstroms G unterstützt wird; getrocknetes Pulver P1 wird aus dem Gasstrom abgetrennt; der aus dem Trocknungsmodul A01 austretende Gasstrom G wird gekühlt und anschließend von mitgerissenen Feinstpartikeln der Größe 0-20 µm in wenigstens einer Filterstufe F01, F02 gereinigt; der gekühlte und gereinigte Gasstrom G wird batchweise oder kontinuierlich über wenigstens ein Entfeuchtungsmodul A02 geleitet, wo der Gasstrom G entfeuchtet. Der entfeuchtete Gasstrom G wird über einen Gasverdichter GEB01 geleitet und dem Verfahren gemäß dem ersten Schritt wieder zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trocknen eines Pulvers für die additive Fertigung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10.
Pulverbettbasierte Strahlschmelzprozesse, wie etwa das selektive Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen basieren darauf, in einem schichtweisen Aufbau eine definierte Geometrie zu erzeugen. Das Ausgangsmaterial bildet eine pulverförmige Komponente, die mithilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls in lokalen Bereichen vollständig aufgeschmolzen wird. Um komplexe Produkte mit hervorragenden Eigenschaften mit additiven Fertigungsverfahren herzustellen, benötigt man konstante Eigenschaften des Pulvermaterials. Die aktuelle Prozesskette pulverbasierter additiver Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe sieht in der Regel vor, das genutzte Pulver zu entsorgen und durch neues Pulver zu ersetzen, bzw. automatisiert oder teilautomatisiert das genutzte Pulver zu Sieben und gegebenenfalls zusätzlich manuell undefiniert zu trocknen. In der Regel kann keine konstante definierte Pulverqualität über mehrere Prozessdurchläufe gewährleistet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen eines Pulvers für die additive Fertigung aufzuzeigen, mit welchem ein definiertes Feuchtemaß eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens löst den gegenständlichen Teil dieser Aufgabe.
Die jeweiligen Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen eines Pulvers für die additive Fertigung sieht einen zirkulierenden Gasstrom vor. Das zu trockene Pulver wird über eine regelbare Aufgabeeinheit in diesen Gasstrom eingeleitet oder unmittelbar von der Aufgabeeinheit in ein Trocknungsmodul eingeleitet. Die Dosierung erfolgt z.B. über eine Zellradschleuse. Bei einer Zellradschleuse kann aus dem Volumenbezug zur Materialschüttdichte eine entsprechende Dosiermenge, bzw. Dosiermasse abgeleitet werden.
Das über Schwerkraft oder durch den Gasstrom pneumatisch bewegte Pulver wird während des Trocknens innerhalb des Trocknungsmoduls in Transportrichtung bewegt, wobei die Strömungsrichtung des Gasstroms die Bewegung des Pulvers in dem Trocknungsmodul unterstützt. In dem Trocknungsmodul gelangt das Pulver in intensiven Oberflächenkontakt mit dem Gasstrom, wobei das Prozessgas Feuchtigkeit aus dem Pulver aufnimmt. Das getrocknete Pulver wird getrennt vom Gasstrom aus dem Trocknungsmodul ausgeleitet und der weiteren Verarbeitung zugeführt, insbesondere separiert.
Der mit Feuchtigkeit und mit mitgerissenen Feinstpartikeln der Größe 0 µm bis 10 µm beladene Gasstrom wird anschließend wenigstens einer Filterstufe zugeführt, um die Feinstpartikel aus dem Prozessgas zu entfernen. Da es sich um ein Kreislaufsystem handelt, würde die Beladung mit Feinstpartikeln dazu führen, dass nachfolgende Pulverchargen wiederum mit Feinstpartikeln beladen werden würden, wodurch die Feinstpartikelmenge zunimmt. Die Feinstpartikel würden die Fließfähigkeit des Pulvers bei Überschreiten bestimmter Grenzwerte beeinträchtigen. Sie werden daher aus dem Prozessgas entfernt. Vorher wird das Prozessgas jedoch gekühlt. Durch das Kühlen des Prozessgases in einem Gaskühler wird die Temperatur des Gasstromes unter den Taupunkt gesenkt. Das anfallende Kondensat wird aus dem Gaskühler abgeleitet.
Der gekühlte und gereinigte Gasstrom wird anschließend batchweise oder kontinuierlich über wenigstens ein Entfeuchtungsmodul geleitet, wo der Gasstrom entfeuchtet wird. Durch das Entfeuchten wird der maximal zulässige Feuchtegehalt definiert. Es werden Sorptionsmaterialien zur Gasentfeuchtung verwendet. Die Adsorption kann im Batchbetrieb innerhalb zweier oder noch mehr parallelgeschalteten Kolonnen erfolgen, wobei auf die „trockene“ Kolonne umgeschaltet wird, während die „verbrauchte“ Kolonne regeneriert wird. Anschließend wird der entfeuchtete Gasstrom über einen Gasverdichteter geleitet und dem Verfahren wieder zugeführt, so dass das entfeuchtete und gekühlte Prozessgas wiederum Pulver aufnehmen und in die Transporteinrichtung einleiten kann.
Die Technologie hat eine automatisierte Trocknung eines Pulvers für die additive Fertigung zum Gegenstand, wobei es sich bei dem Pulver insbesondere um ein Metallpulver handelt. Das Verfahren ist in ein Mess- und Regelsystem eingebettet und unterliegt der kontinuierlichen Datenerfassung und -auswertung in unterschiedlichen Messpunkten. Insbesondere können über die Datenerfassung und -auswertung Aussagen zum Feuchtegehalt des Pulvers getroffen werden. Zielwerte für gute Pulverfeuchten sind Werte, die einen Temperaturabstand von mehr als 5 °C zum Taupunkt der sich einstellenden Atmosphäre haben. Mit dem Verfahren können im Prozessgas Taupunkte zwischen 5 °C und bis - 80 °C realisiert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasstrom vor dem Eintritt in das Trocknungsmodul erwärmt wird, wobei die Temperaturerhöhung mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung erfolgt. Die Infrarotstrahlung hat vorzugsweise eine Wellenlänge in einem Bereich von 700 nm bis 1 mm. Bei elektrischer Beheizung liegt der Leistungsbereich vorzugsweise in einer Größenordnung von 10 W bis 2000 W. Bei einer Gasverdichtung kann eine Leistung von 0,2 kW bis 5 kW zugeführt werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Erwärmung auch im Trocknungsmodul erfolgen, wobei auch hier eine Temperaturerhöhung mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung erfolgen kann. Die vorgenannten Werte bezüglich der Heizleistung, der Gasverdichtung, bzw. der Wellenlänge gelten auch für den Wärmeeintrag innerhalb des Trocknungsmoduls.
Das Trocknungsmodul wird insbesondere mechanisch oder durch Vibrationen zu Bewegungen angeregt. Die Vibrationsanregung kann beispielsweise durch Ultraschall erfolgen. Der Ultraschall kann in einem Frequenzbereich von 15.000 Hz bis 80.000 Hz liegen. Die Anregung kann auch mittelfrequent in einem Bereich von 50Hz bis 15.000 Hz erfolgen. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Verteilung, ein Auflockern und Fluidisieren des Pulvers und mithin ein verbesserter Wärmeübergang aufgrund der optimierten Verteilung des Pulvers im Trocknungsmodul erreicht werden.
Zusätzlich kann das Trocknungsmodul eine Einlassgeometrie besitzen, die von dem Pulver und dem Gasstrom durchströmt werden muss, wobei die Einlassgeometrie dazu ausgebildet ist, das Pulver in einem Bereich des Trocknungsmoduls möglichst gleichmäßig zu verteilen. Die Einlassgeometrie kann beispielsweise ein statischer Mischer sein, der zu Verwirbelungen des einströmenden Pulver-Gasgemisches führt, so dass das Pulver bereits bei Eintritt in das Trocknungsmodul homogenisiert und möglichst gleichmäßig verteilt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht mithin eine regelbare Aufgabeeinheit vor, welche das insbesondere metallische Pulver für die additive Fertigung vorzugsweise mit Hilfe von erwärmten, zirkulierten Gasströmen dem Trocknungsmodul zuleitet. Die im Trocknungsmodul von dem Pulver auf den Gasstrom übergeleitete Feuchte wird über den Gasstrom abtransportiert. Ein sich anschließender Gaskühler senkt die Temperatur des Gasstroms soweit, dass Kondensat ausfällt. Anschließend werden in einer Filterstufe und vorzugsweise in zwei Filterstufen Feinstpartikel in einem Durchmesserbereich von 0 |jm bis 20 µm aus dem Gasstrom entfernt, bevor der Gasstrom ein Entfeuchtungsmodul zur weitergehenden gezielten Entfeuchtung des Gasstroms auf das gewünschte Niveau erreicht. Anschließend wird der Gasstrom mit der definierten Restfeuchte einem Gasverdichter zugeführt, welcher in Form eines Gebläses die Zirkulation des Gasstromes aufrechterhält. Dem Gasverdichter kann eine Sicherheitsfiltrationstufe vorgeschaltet sein, damit keine Partikel in den Gasverdichter gelangen.
Die Erfindung kann ferner eine Gasheizung aufweisen, welche dem Gasverdichter nachgeschaltet und der dem Trocknungsmodul vorgeschaltet ist, um den Gasstrom per Infrarot und/oder mittels elektrischer Beheizung und oder elektromagnetisch und oder über Gasverdichtung zu erwärmen. Eine weitere Heizeinrichtung oder auch mehrere Heizeinrichtungen mit denselben Wirkprinzipien, können unmittelbar im Trocknungsmodul oder an dem Trocknungsmodul angeordnet sein, um weitere Wärmeenergie in den Gasstrom einzubringen und um den Trocknungsvorgang zu verbessern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand des rein schematischen Prinzipbilds erläutert. Die Figur zeigt, dass ein Pulver P für die additive Fertigung zunächst einem Behälter B01 in Form eines Speichers oder Zwischenspeichers zugeführt wird. Das noch feuchte Pulver P wird über eine regelbare Aufgabeeinheit, z.B. eine Zellradschleuse einem Trocknungsmodul A01 zugeführt. Das Trocknungsmodul A01 ist gleichzeitig an einen Gasstrom G angeschlossen, der in dieser Darstellung im Gegenuhrzeigersinn zirkuliert. Der Gasstrom G besteht aus einem Inertgas. Das Inertgas kann gemäß des Pfeils G1 bei Bedarf frisch zugefügt werden.
Innerhalb des Trocknungsmoduls wird das Pulver P zu Vibrationen angeregt. Dies kann in nicht näher dargestellter Weise bevorzugt durch Ultraschall in einem Bereich von 15 kHz bis 80 kHz erfolgen. Das Trocknungsmodul A01 ist mit einer Heizeinrichtungen W01 kombiniert. Der Wärmeeintrag mittels der Heizeinrichtung W01 kann mittels Infrarotstrahlung (Wellenlänge von 700 nm bis 1 mm) erfolgen, durch elektrische Beheizung (10 W-2000 W), elektromagnetisch oder über Gasverdichtung (0,2 kW bis 5 kW). Das feuchte Pulver P gibt innerhalb des Trocknungsmoduls A01 Feuchtigkeit an den Gasstrom G ab. Das getrocknete Pulver P1 wird von dem Gasstrom G getrennt und einem Behälter B02 als Zwischenspeicher zugeführt. Das getrocknete metallische Pulver P1 besitzt nun einen spezifisch eingestellten Feuchtegehalt.
Der Gasstrom G wird aus dem Trocknungsmodul A01 einem Gaskühler W02 zugeführt, der dem Trocknungsmodul A01 in Strömungsrichtung des Gasstromes G nachgeschaltet ist. Der Gaskühler W02 senkt die Temperatur des Gasstromes G bis in den Sättigungsbereich, wobei ein Kondensat K gebildet wird, dass aus dem Gaskühler W02 abgeleitet wird. Anschließend wird der gekühlte und gesättigte Gasstrom G zwei Filterstufen F01 und F02 zugeführt, um Feinstpartikel mit einer Größe von 0 µm bis 10 µm aus dem Gasstrom G zu entfernen.
Auf diese Filterstufen F01, F02 folgt ein Entfeuchtungsmodul A02, dass in zwei Kolonnen aufgeteilt ist. Über Stellelemente kann im Batchbetrieb der gefilterte und gekühlte Gasstrom G im Wechsel über die Kolonnen geführt werden. Während eine Kolonne regeneriert wird, wird die andere Kolonne mit dem Gasstrom G beaufschlagt.
Anschließend wird der Gasstrom G nochmals einer Sicherheitsfiltrationsstufe F03 zugeführt, bevor der Gasstrom G zu dem Gasverdichter GEB01 gelangt und weiterbefördert wird.
Der so aufbereitete Gasstrom G mit geringer Restfeuchte kann noch vor Eintritt in das Trocknungsmodul A01 eine Gasheizung W03 durchlaufen, in welcher die Temperatur des Gasstroms G erhöht wird. Der Begriff Gasheizung G bezieht sich auf das zu erwärmende Medium und nicht auf das zur Erwärmung eingesetzte Medium.
Das Erwärmen kann mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und oder über Gasverdichtung erfolgen. Die Leistungswerte entsprechen vorzugsweise denjenigen der Heizeinrichtung W01 im Trocknungsmodul A01.
Anschließend wird der so vorbereitete Gasstrom G wieder in das Trocknungsmodul A01 eingeleitet. Auf diese Weise zirkuliert der Gasstrom G und nimmt im nächsten Durchlauf neue Feuchte aus dem Pulver P auf, um dieses zu trocknen.
In nicht näher dargestellter Weise ist der gesamte Prozess geregelt. Mehrere nicht näher dargestellte Messstellen erfassen die physikalischen Parameter und gegebenenfalls chemischen Parameter des Pulvers, insbesondere nach der Trocknung sowie auch die Eigenschaften des Gasstroms G, um die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend zu steuern und zu regeln.
Bezugszeichenliste

A01 -: Trocknungsmodul
A02 -: Entfeuchtungsmodul
B01 -: Behälter
B02 -: Behälter
F01 -: Filterstufe
F02 -: Filterstufe
F03 -: Sicherheitsfiltrationsstufe
G -: Gasstrom
G01 -: Gas (frisch)
GEB01: -Gasverdichter
K -: Kondensat
P -: Pulver
P1 -: Pulver (trocken)
W01 -: Heizeinrichtung
W02 -: Gasheizer
W03 -: Gaskühler

Claims

Verfahren zum Trocknen eines Pulvers (P) für die additive Fertigung mit folgenden Schritten: a) Ein Pulver (P) wird über eine regelbare Aufgabeeinheit in einen Gasstrom (G) eingeleitet oder unmittelbar in ein Trocknungsmodul (A01) eingeleitet; b) Das Pulver (P) wird in dem Trocknungsmodul (A01) während des Trocknes in eine Transportrichtung bewegt, die durch die Strömungsrichtung des Gasstroms (G) unterstützt wird; c) Getrocknetes Pulver (P1) wird aus dem Gasstrom (G) abgetrennt; d) Der aus dem Trocknungsmodul (A01) austretende Gasstrom (G) wird gekühlt und anschließend von mitgerissenen Feinstpartikeln der Größe 0-20 µm in wenigstens einer Filterstufe (F01, F02) gereinigt; e) Der gekühlte und gereinigte Gasstrom (G) wird batchweise oder kontinuierlich über wenigstens ein Entfeuchtungsmodul (A02) geleitet, wo der Gasstrom (G) entfeuchtet wird; f) Der entfeuchtete Gasstrom (G) wird über einen Gasverdichter (GEB01) geleitet und dem Verfahren gemäß Schritt a) wieder zugeführt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (G) vor dem Eintritt in das Trocknungsmodul (A01) erwärmt wird, wobei die Temperaturerhöhung mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmodul (A01) erwärmt wird, wobei die Temperaturerhöhung mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) in dem Trocknungsmodul (A01) mechanisch und/oder mittels Ultraschall verteilt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) metallisch ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas des Gasstroms (G) ein Inertgas ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die regelbare Aufgabeeinheit eine Zellradschleuse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver (P) eine Einlassgeometrie des Trocknungsmoduls (A01) durchströmt, die dazu ausgebildet ist, das Pulver (P) in einem Bereich des Trocknungsmoduls (A01) möglichst gleichmäßig zu verteilen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Eigenschaften des Gasstromes (G) gemessen werden, wobei Taupunkte des Gases von 5 °C bis - 80°C eingestellt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bis 9, umfassend eine regelbare Aufgabeeinheit, um Pulver (P) in einen Gasstrom (G) oder unmittelbar in ein Trocknungsmodul (A01) einzuleiten, eine Einrichtung zum Abtrennen von getrocknetem Pulver (P1) aus dem Gasstrom (G), einen Gaskühler (W03), der dem Trocknungsmodul (A01) in Strömungsrichtung des Gasstromes (G) nachgeschaltet ist, wenigstens eine Filterstufe (F01, F02) für Feinstpartikel mit einem Durchmesser von 0-20 µm, welche dem Gaskühler (W02) nachgeschaltet ist, wobei wenigstens ein Entfeuchtungsmodul (A02) zur Entfeuchtung des Gasstromes (G) auf die wenigstens eine Filterstufe (F01, F02) folgt, und mit einem Gasverdichter (GEB 1), der dem Trocknungsmodul (A01) vorgelagert ist, um den Gasstrom (G) aus dem Entfeuchtungsmodul (A02) dem Trocknungsmodul (A01) vorgewärmt zuzuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Trocknungsmodul (A01) eine Gasheizung (W03) vorgelagert ist, welche dem Gasverdichter (GEB01) in Strömungsrichtung des Gasstroms (G) nachgelagert ist und dazu ausgebildet ist, den Gasstrom (G) mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung zu erwärmen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsmodul (A01) eine Heizeinrichtung (W01) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, den Gasstrom (G) mit dem Pulver (P) innerhalb des Trocknungsmoduls (A01) mittels Infrarotstrahlung und/oder mittels elektrischer Beheizung und/oder elektromagnetisch und/oder über Gasverdichtung zu erwärmen.