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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von thermoplastischen Restpulvern.
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Es existieren heutzutage verschiedene Verfahren, mittels derer basierend auf Konstruktionsdaten dreidimensionale Modelle aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulvern (ggf. unter Zusatz eines Bindemittels) oder Flüssigkeiten (was auch zeitweise aufgeschmolzene Feststoffe einschließt) hergestellt werden können. Diese Verfahren sind auch unter Sammelbegriffen wie „Rapid Prototyping“, „Rapid Manufacturing“ oder „Rapid Tooling“ bekannt. Oftmals findet hierbei ein Urformungsschritt statt, bei dem das Ausgangsmaterial entweder von vornherein flüssig vorliegt oder zwischenzeitig verflüssigt wird und an vorgesehener Stelle aushärtet. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das sogenannte Schmelzbeschichten (fused deposition modeling, FDM), bei dem ein Werkstück schichtweise aus thermoplastischem Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff wird z.B. pulverförmig oder strangförmig zugeführt, aufgeschmolzen und in geschmolzener Form von einem Druckkopf appliziert, der nacheinander einzelne, in der Regel waagerechte Schichten des herzustellenden Objekts aufträgt.
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Daneben sind Verfahren bekannt, bei denen ein pulverförmiger Stoff, z.B. ein Kunststoff, schichtweise aufgetragen und selektiv mittels eines lokal aufgetragenen bzw. aufgedruckten Bindemittels ausgehärtet wird. Bei wiederum anderen Verfahren, wie z.B. selektivem Lasersintern (SLS), wird ein Pulver z.B. mit Hilfe einer Rakel schichtweise auf eine Basisplatte aufgebracht. Das Pulver wird mittels einer geeigneten fokussierten Strahlung, z.B. eines Laserstrahls, selektiv erwärmt und dadurch gesintert. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Basisplatte geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. Als Pulver können hierbei neben Kunststoffen auch Keramik oder Metalle eingesetzt werden. Das nicht-gesinterte Pulver muss nach dem Herstellungsprozess entfernt werden. Bei einem ähnlichen Verfahren, dem selektiven Laserschmelzen (SLM) ist die durch die Strahlung eingetragene Energiemenge so hoch, dass das Pulver bereichsweise aufgeschmolzen wird und zu einem zusammenhängenden Festkörper erstarrt. Dieses Verfahren findet insbesondere bei metallischen Pulvern Anwendung.
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Bei den pulverbasierten Verfahren ergibt sich im Allgemeinen das Problem der weiteren Verwendung der Restpulver, die nicht Teil des gefertigten Objekts sind. Diese können teilweise erneut im additiven Fertigungsverfahren verwendet werden, sofern sich ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich verändert haben. Allerdings können beispielweise beim SLS Pulverpartikel, die in der Nähe des Laserstrahls erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurden, ohne tatsächlich zu versintern, veränderte Eigenschaften aufweisen, die sie für eine unmittelbare Wiederverwendung unbrauchbar machen. Auch eine teilweise Versinterung von Pulverpartikeln macht diese für eine Wiederverwendung ungeeignet, wobei ein Aufbau glatter Pulverschichten hiermit nicht möglich ist.
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Grundsätzlich könnten derartige Restpulver z.B. in der Kunststoffverarbeitung verwendetet werden. Hierfür wäre allerdings zunächst die Überführung in Granulatform notwendig, wozu das Pulver aufgeschmolzen und z.B. mit Wasser wieder abgekühlt würde. Dies ist allerding energie- und kostenintensiv und das Aufschmelzen verschlechtert die Materialeigenschaften des Kunststoffs. Außerdem kommt es beim Abkühlen mit Wasser zur Ein- oder Anlagerung von Feuchtigkeit im Granulat, was dessen Eigenschaften ebenfalls verschlechtert.
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Die
BG 111500 A offenbart ein Verfahren zur Wiederverwendung von Tonerresten für Kopiergeräte oder Drucker. Die Tonerreste können mit unterschiedlichen anderen Stoffen wie z.B. Lösemitteln oder Additiven vermischt und z.B. als Korrosionsschutzmittel für Metalle eingesetzt werden. Alternativ können Sie nach einer Extrusion, Granulation oder Tablettierung beim Spritzgießen Verwendung finden.
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Die
US 8 185 229 B2 zeigt einen 3D-Drucker mit einer Konstruktionskammer, in die während des Druckvorgangs schichtweise Pulver eingebracht wird. Eine Unterlage für das Pulver ist aus zwei übereinander liegenden Platten aufgebaut, die jeweils Öffnungen aufweisen. Unterhalb der Platten ist eine Vakuumquelle angeordnet. Durch das Vakuum kann überschüssiges Pulver abgesaugt und in einen Vorratsbehälter zurückgeführt werden, womit es bei einem weiteren 3D-Druck verwendet werden kann.
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Aus der
US 6 146 560 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands bekannt, bei welchem zunächst ein Gemisch hergestellt wird, das ein wiederverwendetes Keramikpulver aus einem Keramikobjekt, ein Dispergiermittel, einen pH-Regulator, ein Biozid, ein gelbildendes Material sowie einen Träger aufweist. Das Gemisch wird in einem Mischer unter erhöhter Temperatur und Einwirkung von Scherkräften vermengt um eine Formmasse zu erzeugen. Aus der Formmasse wird unter erhöhter Temperatur und Druck ein Gegenstand urgeformt.
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Die
US 6 284 186 B1 beschreibt ein Verfahren zur Verwendung von wiederverwendetem Glaspulver als Füllstoff in gegossenen Kunststoffteilen. Dabei wird wiederverwendetes Glaspulver mit einem Kunststoff kombiniert, wobei das Glaspulver bis zu 80 Gewichtsprozent der Zusammensetzung ausmachen kann. Die Zusammensetzung kann für verschiedene Verfahren wie bspw. Spritzgießen, Strangpressen oder Blasformen eingesetzt werden.
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Aus der
US 2008 0 300 353 A1 ist ein Sinterpulver bekannt, das ein Polyamid sowie Metallseifen aufweist. Das Pulver ist zur Verwendung beim selektivem Lasersintern vorgesehen. Durch den Zusatz der Metallseifen ergeben sich verbesserte mechanische Eigenschaften der hergestellten Werkstücke sowie eine verbesserte Wiederverwendbarkeit von Restpulver, das beim Herstellungsprozess übrig bleibt.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Nutzung von Restpulver, das bei additiven Fertigungsverfahren wie bspw. selektivem Lasersintern anfällt, noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere wäre es wünschenswert, das Restpulver zu nutzen, das bei dem additiven Fertigungsverfahren nicht nochmals genutzt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Nutzung von bei additiven Fertigungsverfahren anfallendem Restpulver zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Aufbereitung von thermoplastischem Restpulver aus einem additiven Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt. Es versteht sich, dass das additive Fertigungsverfahren ein pulverbasiertes Verfahren ist. Das Restpulver ist wenigstens teilweise thermoplastisch, d.h. es weist wenigstens ein thermoplastisches Material auf, ggf. auch ein Gemenge oder Gemisch aus thermoplastischen Materialien. Als solche Materialien kommen insbesondere Polyamide infrage. Daneben können auch weitere, nicht-thermoplastische Materialien enthalten sein. Bspw. können Farbpartikel oder Füllstoffe wie bspw. Glasfasern enthalten sein. Es können unterschiedliche Korngrößen des Pulvers vorgesehen sein, die allerdings üblicherweise unter 0,1 mm liegen. Sofern Pulverpartikel im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens agglomeriert sind, bspw. durch teilweises Versintern, können die entsprechenden Agglomerate auch größere Dimensionen aufweisen.
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In einem Schritt des Verfahrens wird ein Pulver bereitgestellt, welches das Restpulver aufweist. Anders ausgedrückt, das Restpulver bildet wenigstens einen Teil des Pulvers. Optional kann eine Aufbereitung des Restpulvers erfolgen, bspw. ein teilweises Aufbrechen von Agglomeraten, was allerdings normalerweise unnötig ist.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Verpressen des Pulvers zu einem Granulat als Rohmaterial für ein Urformverfahren. Dieses Verpressen kann mittels einer Pressvorrichtung durchgeführt werden. Man kann in diesem Zusammenhang auch von einem Pressformen sprechen, bei welchem durch Einwirkung von Druck einerseits ein Zusammenhalt von Pulverpartikeln hergestellt wird und andererseits die Form des so gebildeten Granulatkorns festgelegt wird.
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Als Granulat wird in diesem Zusammenhang ein körniges Material bezeichnet, wobei die Form der einzelnen Körner nicht festgelegt ist. Diese können bspw. kugelartig, zylindrisch, eckig oder amorph ausgebildet sein. Auch die Größe der Körner des Granulats ist in diesem Zusammenhang nicht festgelegt. Bevorzugt beträgt eine Größte Abmessung der Körner zwischen 0,5 mm und 10 mm. Sowohl Form als auch Größe der einzelnen Körner des Granulats können einheitlich oder nicht-einheitlich sein. Jedes der Körner des Granulats besteht wenigstens teilweise aus einem thermoplastischen Material, ggf. auch aus einem Gemisch thermoplastischer Materialien, da es durch Verpressen des Pulvers gefertigt wird.
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Das Verpressen kann durch unterschiedliche Pressvorrichtungen erfolgen, insbesondere durch eine Pressvorrichtung, die zwei sich gegensinnig drehende Walzenelemente aufweist, deren Mantelflächen in einem Pressbereich zueinander benachbart sind und die mantelseitig jeweils eine Mehrzahl von Formelementen aufweisen, die einander paarweise zugeordnet sind und im Pressbereich Pulver zu Granulat verpressen. Jedes der Walzenelemente (die nachfolgend als erstes und zweites Walzenelement bezeichnet werden) dreht sich um eine jeweilige Drehachse. Die Drehachsen verlaufen normalerweise parallel zueinander, könnten allerdings auch bspw. in einem Winkel bis zu 45° oder bis zu 30° zueinander verlaufen. Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Vorrichtung verlaufen die Drehachsen bevorzugt horizontal, also im Winkel von 90° zur Wirkrichtung der Schwerkraft, wenngleich auch hier Abweichungen möglich sind. Üblicherweise ist jede der Drehachsen um weniger als 30° gegenüber der horizontalen Ebene geneigt. Die Walzenelemente drehen sich mit gleicher Drehzahl, also gegensinnig synchron zueinander.
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Die Mantelflächen, also die bezüglich der jeweiligen Drehachse außen liegenden Flächen der beiden Walzenelemente sind in einem Pressbereich zueinander benachbart angeordnet. Normalerweise ist der Pressbereich derjenige Bereich, in dem die Mantelflächen der Walzenelemente den geringsten Abstand zueinander haben. Der Begriff „Walzenelement“ ist nicht einschränkend dahingehend auszulegen. Wenngleich eine walzen- oder rollenähnliche Form der Walzenelemente bevorzugt ist, wobei die Mantelfläche ganz oder teilweise rotationssymmetrisch bezüglich der jeweiligen Drehachse ausgebildet ist, ist dies nicht zwangsläufig der Fall.
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Jedes der Walzenelemente weist mantelseitig, man könnte auch sagen im Bereich der Mantelfläche, eine Mehrzahl von Formelementen auf. Die Formelemente eines jeden Walzenelementes sind normalerweise entlang des gesamten Umfangs der Mantelfläche verteilt, wobei sie typischerweise zueinander versetzt und insbesondere voneinander beabstandet sein können. Die Formelemente jeweils eines Walzenelements können gleichartig oder unterschiedlich ausgebildet sein. Die Formelemente sind paarweise einander zugeordnet und Verpressen im Pressbereich Pulver zu Granulat. Das heißt jeweils ein erstes Formelement des ersten Walzenelements ist einem zweiten Formelement des zweiten Walzenelements zugeordnet. Die Positionen dieser beiden Formelemente und die Drehbewegungen der Walzenelemente sind so aufeinander abgestimmt, dass die Formelemente im Pressbereich einander gegenüber liegen, so dass im Pressbereich zwischen den Formelementen eine Formkavität für das herzustellende Granulat gebildet wird, in welcher das Pulver zu Granulat verpresst wird. Wie später noch ausgeführt wird, kann die Kavität auch teilweise durch weitere Teile der Vorrichtung gebildet sein. Die Formelemente definieren dabei wenigstens teilweise die Form des herzustellenden Granulats. Jeweils zwei Formelemente können jeweils genau ein Korn des Granulats formen oder auch eine Mehrzahl von Körnern. Das Verpressen des Pulvers resultiert wenigstens anteilig daraus, dass sich die einander zugeordneten Formelemente einander annähern, wenn sie sich auf den Pressbereich zubewegen, in welchem die Walzenelemente benachbart zueinander angeordnet sind.
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Eine Zuführvorrichtung kann das Pulver zum Pressbereich zuführen. Eine solche Zuführvorrichtung kann eine oder mehrere Abgabeöffnungen aufweisen, aus denen das Pulver beispielsweise der Schwerkraft folgend austritt und in den Pressbereich fällt bzw. rieselt. In diesem Fall ist die Zuführvorrichtung wenigstens teilweise vertikal oberhalb des Pressbereichs angeordnet. Daneben wären auch andere Möglichkeiten gegeben, das Pulver in den Pressbereich zu bringen, bspw. durch Einsprühen. In der Regel ist allerdings die durch Schwerkraft unterstützte Zufuhr die einfachste bzw. energiesparendste Option. In aller Regel bewegen sich die Mantelflächen im Pressbereich abwärts, wodurch das Pulver im Pressbereich zwischen den Walzenelementen abwärts gefördert wird. Hierdurch ergibt sich eine fortgesetzte Abwärtsbewegung des Pulvers, wenn die Zuführvorrichtung das Pulver in den Pressbereich fallen lässt.
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Gemäß einer Ausführungsform lenkt ein Nockenmechanismus die Formelemente eines ersten Walzenelements drehwinkelabhängig radial aus. D.h., während sich die Formelemente des ersten Walzenelements im Zuge der Rotation des ersten Walzenelements bewegen, werden sie durch den Nockenmechanismus (bezüglich der ersten Drehachse) radial ausgelenkt, und zwar in Abhängigkeit vom Drehwinkel des ersten Walzenelements. Man könnte auch sagen, einem bestimmten Drehwinkel entspricht eine bestimmte radiale Auslenkung des jeweiligen Formelements. Der Begriff „Nockenmechanismus“ ist dabei nicht einschränkend auszulegen. Der Nockenmechanismus kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass die beschriebene Auslenkung durch Kraftumlenkung aus der Drehbewegung des ersten Walzenelements resultiert. D.h., die Formelemente werden im Zuge der Drehbewegung mitgeführt und im Zuge dieser geführten Bewegung erfolgt eine Kraftumlenkung, die die radiale Auslenkung bewirkt. Allgemein sorgt der Nockenmechanismus dafür, dass sich die Formelemente auf einer bezüglich der ersten Drehachse nicht-konzentrischen Bewegungsbahn bewegen. Je nach Ausgestaltung des Nockenmechanismus kann die Bewegungsbahn auch nichtkreisförmig sein. Die Formelemente sind dabei bevorzugt an einem in radialer Richtung stationären Führungsrahmen angeordnet, gegenüber dem sie radial auslenkbar sind. Der Führungsrahmen, an welchem auch wenigstens teilweise die Mantelfläche des ersten Walzenelements ausgebildet sein kann, führt die Formelemente in tangentialer Richtung mit, während er in radialer Richtung eine Bewegung derselben erlaubt. Insbesondere können die Formelemente radial verschiebbar am Führungsrahmen geführt sein.
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Bevorzugt lenkt der Nockenmechanismus die Formelemente des ersten Walzenelements im Pressbereich radial nach außen aus, um das Verpressen des Pulvers zu unterstützen. D.h., wenn sich die Formelemente des ersten Walzenelements im Zuge der Rotation des ersten Walzenelements zum Pressbereich hin bewegen, werden sie durch den Nockenmechanismus (radial nach außen) ausgelenkt. Die Auslenkung unterstützt das Verpressen des Pulvers, da sich die ohnehin durch die Drehbewegung der Walzenelemente gegebene Annäherung der zusammenwirkenden Formelemente verstärkt, wenn die (ersten) Formelemente des ersten Walzenelements im Pressbereich radial nach außen ausgelenkt werden. Hierdurch kann der Abstand zwischen den zusammenwirkenden Formelementen verringert werden, ihre Annäherung kann beschleunigt werden und/oder ein auf das Pulver wirkender Druck kann vergrößert werden.
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Unter Umständen können die Mantelflächen der beiden Walzenelemente auch im Pressbereich voneinander beabstandet sein. In diesem Fall ist ein Zwischenraum zwischen den Mantelfläche gegeben, was unter Umständen zu einem vermehrten Hindurchrieseln von Pulver zwischen den Walzenelementen führen kann. Daher rollen die Mantelflächen bevorzugt im Pressbereich gegeneinander ab. D.h., die Mantelflächen liegen wenigstens teilweise im Pressbereich aneinander an und rollen im Zuge der Drehbewegung der beiden Walzenelemente aneinander ab. Die Mantelflächen müssen dabei nicht glatt bzw. rotationssymmetrisch ausgebildet sein, sondern können auch eine ineinandergreifende Struktur aufweisen. Hierdurch wäre es bspw. auch denkbar, dass ein Walzenelement das andere Walzenelement antreibt.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist der Nockenmechanismus ein zu einer ersten Drehachse des ersten Walzenelements exzentrisches, innerhalb des ersten Walzenelements angeordnetes Nockenelement auf, durch welches die Formelemente radial ausgelenkt werden. Das Nockenelement ist exzentrisch zur ersten Drehachse ausgebildet bzw. angeordnet, d.h. insbesondere eine den Formelementen zugewandte Außenfläche des Nockenelements ist exzentrisch ausgebildet. Wenn sich also die Formelemente der Drehbewegung des ersten Walzenelements folgend in tangentialer Richtung bewegen, werden sie entlang der Außenfläche des Nockenelements geführt, wobei durch Kraftumlenkung eine radiale Auslenkung erfolgt, wenn sich die Formelemente dem Pressbereich nähern.
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Während das Nockenelement exzentrisch bezüglich der ersten Drehachse ist, kann es rotationssymmetrisch bezüglich einer zur ersten Drehachse versetzten Nockenachse ausgebildet sein. Es ist somit auch konzentrisch zu dieser Nockenachse ausgebildet. Bspw. könnte das Nockenelement radförmig oder walzenförmig ausgebildet sein, wobei die Nockenachse seine Symmetrieachse bildet. Optional kann sich das Nockenelement synchron zum ersten Walzenelement um die Nockenachse drehen. D.h., das Nockenelement dreht sich gleichsinnig und mit gleicher Winkelgeschwindigkeit innerhalb des ersten Walzenelements.
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Bevorzugt weist das erste Walzenelement gegenüber seiner Mantelfläche radial nach innen verlaufende Führungskanäle auf, innerhalb welcher die Formelemente geführt werden und die beim Erreichen des Pressbereichs Pulver aufnehmen. Die Führungskanäle können bspw. innerhalb des oben erwähnten Führungsrahmens ausgebildet sein. Sie verlaufen radial nach innen, wobei sie insbesondere, allerdings nicht zwangsläufig, parallel zur radialen Richtung verlaufen können. Der Querschnitt der Führungskanäle kann insbesondere an einen Querschnitt des jeweiligen Formelements angepasst sein kann, so dass dieses bündig innerhalb des Führungskanals anliegt. Neben der Führung des jeweiligen Formelements dienen die Führungskanäle auch dazu, Pulver aufzunehmen, wenn der Abschnitt des ersten Walzenelements mit dem jeweiligen Führungskanal in den Pressbereich gelangt. Diese Ausbildung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die beiden Mantelflächen der Walzenelemente gegeneinander abrollen, so dass im Pressbereich kein Zwischenraum zwischen den Walzenelementen gegeben ist. In diesem Fall bildet der Führungskanal gewissermaßen einen Aufnahmebereich für Pulver.
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Die Vorrichtung kann das Granulat insbesondere wenigstens teilweise innerhalb der Führungskanäle formen. Dabei kann bspw. vorgesehen sein, dass der jeweilige Führungskanal einen Teil der oben erwähnten Formkavität zur Formung des Granulats bildet. Bspw. kann die Kavität radial innenseitig durch das Formelement des ersten Walzenelements begrenzt sein und radial außenseitig durch das entsprechende Formelement des zweiten Walzenelements, während quer zur radialen Richtung, also tangential-axial eine Begrenzung durch den Führungskanal gegeben ist. Durch die radiale Auslenkung des Formelements nach außen erfolgt die Kompression des Pulvers, das sich währenddessen ganz oder teilweise innerhalb des Führungskanals befindet.
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Bevorzugt lenkt der Nockenmechanismus die Formelemente nach Verlassen des Pressbereichs radial nach außen aus, um Granulat aus den Führungskanälen auszuwerfen. „Nach Verlassen des Pressbereich“ bezieht sich hierbei selbstverständlich auf den Abschnitt der Bewegung des jeweiligen Formelements, in welchem es sich aus dem Pressbereich heraus bewegt. Man könnte auch sagen, dies ist der Teil der Drehbewegung, der (mittelbar oder unmittelbar) auf das Durchlaufen des Pressbereich folgt. Sofern wie oben beschrieben innerhalb des Pressbereichs eine radiale Auslenkung nach außen erfolgt, kann diese nach dem Verlassen des Pressbereich fortgesetzt werden. Im Zuge der Drehbewegung nimmt der Abstand zwischen den ersten Formelementen und den zweiten Formelementen nach dem Verlassen des Pressbereich zu, so dass das Granulat nicht mehr zwischen den ersten und zweiten Formelemente eingeschlossen ist. Teilweise kann das Granulat bei der weiteren Drehbewegung aufgrund seines Eigengewichts aus den Führungskanälen herausfallen. Unter Umständen haftet es allerdings als Folge des Pressvorgangs am Führungskanal an. Die entsprechende Haftung kann überwunden werden, wenn sich das Formelement wie beschrieben (weiter) radial nach außen bewegt. Hierdurch wird das Granulat aus dem Führungskanal herausgedrückt bzw. ausgeworfen.
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Bevorzugt wird das Restpulver beim Verpressen in festem Zustand gehalten. D.h., es erfolgt beim Verpressen kein Aufschmelzen oder Anschmelzen des thermoplastischen Pulvers. Der Zusammenhalt eines einzelnen Korns des Granulats kann dabei bspw. auf einem mikroskopischen Formschluss zwischen einzelnen Pulverteilchen beruhen oder auf intermolekularen Kräften zwischen den Oberflächen benachbarter Pulverteilchen. Dies ist allerdings nicht einschränkend auszulegen. Je nach Geschwindigkeit und Intensität der Kompression kann sich eine deutliche Erwärmung des Pulvers ergeben, die allerdings bevorzugt nicht zu einem Überschreiten der Schmelztemperatur führt. Bevorzugt ist keine aktive Beheizung des Pulvers vorgesehen, also durch eigens hierfür vorgesehene Heizelemente. Um eine ungewollt starke Erwärmung des Pulvers zu verhindern, können Teile der Pressvorrichtung, insbesondere die Formelemente, aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, bspw. einem Metall, gefertigt sein. Da ein Schmelzen und erneutes Erstarren des thermoplastischen Materials allgemein dessen Materialeigenschaften verschlechtert, trägt diese Ausführungsform dazu bei, ein möglichst hochwertiges Granulat für das Urformverfahren bereitzustellen.
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Insbesondere kann zum Bereitstellen des Pulvers ein bei selektivem Lasersintern anfallendes Restpulver verwendet werden. Beim selektivem Lasersintern (SLS) verbleiben nach der additiven Fertigung eines Werkstücks durch versintern von Pulver mittels eines Laserstrahls erhebliche Mengen an Restpulver, die entweder nicht oder nur teilweise versintert sind. Es hat sich gezeigt, dass dieses Restpulver, auch wenn es für eine erneute Verwendung bei einem SLS-Verfahren ungeeignet ist, in der erfindungsgemäßen Weise zur Herstellung eines Granulats verwendet werden kann, dass dann als Rohmaterial für ein Urformverfahren dient.
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Sofern dies notwendig oder gewünscht ist, kann das Restpulver zum Bereitstellen des Pulvers mit wenigstens einem Zusatzstoff gemischt werden. Der Zusatzstoff kann insbesondere ebenfalls in Pulverform vorliegen. Hierbei kann es sich um einen ebenfalls wenigstens teilweise thermoplastischen Zusatzstoff handeln, es könnte aber auch ein Nicht-thermoplastischer Stoff, bspw. ein Füllmaterial oder ein Farbpigment sein. Unter Umständen kann dem Restpulver auch ein flüssiger Zusatzstoff beigemischt werden, allerdings allenfalls in geringer Menge.
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Unter Umständen können erhebliche Mengen eines Zusatzstoffes eingesetzt werden, so dass dieser unter Umständen einen größeren Anteil des Pulvers ausmachen kann als das Restpulver. Daneben ist es aber auch möglich, dass Restpulver in vollständig reiner Form oder nahezu reiner Form zur Herstellung des Granulats zu verwenden. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Pulver bereitgestellt, das einen Gewichtsanteil von wenigstens 95% Restpulver aufweist. D.h., der wenigstens eine Zusatzstoff entspricht einem Gewichtsanteil von maximal 5%.
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Das hergestellte (wenigstens teilweise thermoplastische) Granulat kann insbesondere als Rohmaterial für Urformverfahren in der Kunststoffverarbeitung wie Spritzgießen, Spritzpressen, Strangpressen, Blasformen oder andere verwendet werden. Bevorzugt wird das Granulat als Rohmaterial für ein Spritzgießverfahren verwendet. Verschiedene bei additiven Fertigungsverfahren wie dem selektivem Lasersintern anfallenden Restpulver lassen sich mit oder ohne Zumischen eines Zusatzstoffs als Materialien beim Spritzgießen verwenden, wenn sie in erfindungsgemäßer Weise zu Granulat verpresst wurden.
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Vorteilhaft wird vor dem Bereitstellen des Pulvers wenigstens ein erster Trennvorgang durchgeführt wird, um einen Anteil des Restpulvers abzutrennen, der bei dem additiven Fertigungsverfahren wiederverwendbar ist. Das Abtrennen kann nach unterschiedlichen Kriterien erfolgen, bspw. nach einer effektiven Korngröße. In diesem Fall könnten Partikel, die unterhalb einer bestimmten Korngröße liegen, abgetrennt werden und beim additiven Fertigungsverfahren wiederverwendet werden. Größere Partikel bzw. Agglomerate, mit denen kein Aufbau von ebenen Pulverschichten möglich ist, können hingegen erfindungsgemäß zu Granulat verpresst werden. Bei einer Trennung nach Korngrößen kann selbstverständlich ein Sieben des Restpulvers erfolgen. Grundsätzlich wäre aber auch ein Trennen nach anderen Kriterien denkbar, bspw. nach dem spezifischen Gewicht der Pulverpartikel. Geeignete Trennverfahren sind im Stand der Technik bekannt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn nach dem Verpressen wenigstens ein zweiter Trennvorgang durchgeführt wird, um loses Pulver vom Granulat zu trennen. In der Regel ist es prozessbedingt nicht möglich, sämtliches Pulver, das bspw. von der oben erwähnten Zuführvorrichtung zugeführt wird, vollständig zu Granulat zu verpressen. D.h. es bleiben Reste von losem, unverpresstem Pulver, welches zunächst mit dem Granulat vermischt sein kann. Dieses unerwünscht, da das Pulver das Granulat gewissermaßen verunreinigt und dessen Nutzbarkeit verschlechtern kann. Der zweite Trendvorgang kann insbesondere mittels einer Trennvorrichtung erfolgen, die unterhalb der Walzenelemente angeordnet ist und das Granulat und das Pulver auffängt und voneinander trennt. Sofern die Trennvorrichtung ein Sieb aufweist, kann das Sieb in Vibration versetzt werden. Wenn hier von einer Trennung von Granulat und Pulver die Rede ist, so versteht es sich, dass diese Trennung in aller Regel nicht vollständig sein kann, wobei bspw. geringe Mengen von Pulver am Granulat haften bleiben können. Dies ist allerdings für eine nachfolgende Verwendung des Granulats im Allgemeinen unerheblich.
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Das abgetrennte Pulver wird bevorzugt wenigstens teilweise zurückgeführt und zu Granulat verpresst. Dies kann durch eine Rückführeinrichtung erfolgen, die das abgetrennte Pulver bspw. zu einem Vorratsbehälter der Zuführvorrichtung zurückführt. Die Rückführeinrichtung kann unterschiedliche Teile oder Abschnitte aufweisen, die auf unterschiedlichen Förderprinzipien basieren. Beispielsweise kann das Pulver auf Förderbändern geführt werden. Insbesondere kann das Pulver innerhalb entsprechender Leitungen durch einen Luftstrom geführt werden. D.h. es wird ein Luftstrom erzeugt, durch den das Pulver mitgeführt wird. Beispielsweise kann auf Seiten des Vorratsbehälters der Zuführvorrichtung ein Unterdruck erzeugt werden, durch welchen das Pulver angesaugt wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann; sowie
- 3 eine vergrößerte Detailansicht von 2.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst wird in einer SLS-Anlage 1 ein hier nicht dargestelltes Werkstück durch selektives Lasersintern (SLS) gefertigt. Hierzu wird ein thermoplastisches Pulver eingesetzt, das bspw. ein mit Glasfasern gefülltes Polyamid sein kann. Nach der Fertigung verbleibendes Restpulver R wird einem ersten Sieb 2 zugeführt, wo ein Anteil R1 des Restpulvers R abgetrennt wird, der beim SLS wiederverwendet werden kann und rückgeführt wird. Dieser erste Trennvorgang ist optional.
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Dasjenige Restpulver R, das nicht wieder verwendet werden kann, wird zusammen mit wenigstens einem Zusatzstoff Z (bspw. einem weiteren thermoplastischen Pulver, einem Farbpigment, einem Füllstoff oder dergleichen) einem Mischer 3 zugeführt, wo ein Pulver P gemischt wird, das in den weiteren Verfahrensschritten verwendet wird. Dieser Verfahrensschritt ist ebenfalls optional und das im weiteren verwendete Pulver P kann auch ausschließlich aus Restpulver R bestehen. Ansonsten kann das Pulver P bspw. einen Gewichtsanteil von wenigstens 95 % Restpulver R aufweisen, es sind aber auch andere Gewichtsanteile möglich. Das Pulver P wird in einen Vorratsbehälter 12 einer Zuführvorrichtung 11 gefüllt, die Teil der in 2 dargestellten Vorrichtung 10 ist. Die Zuführvorrichtung 11 ist oberhalb einer Pressvorrichtung 20 angeordnet, die ein erstes Walzenelement 21 sowie ein zweites Walzenelement 22 aufweist. Die Walzenelemente 21, 22 sind um eine erste und zweite Drehachse A, B drehbar, die horizontal und parallel zueinander verlaufen, wobei ein hier nicht dargestellter Antrieb für eine synchrone, gegensinnige Rotation sorgt. Die Zuführvorrichtung 11 führt das Pulver P einem Pressbereich 29 zu, indem sie es der Schwerkraft folgend in diesen hineinrieseln lässt.
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Die Mantelflächen 21.1, 22.1 der Walzenelemente 21, 22 rollen im Pressbereich 29 gegeneinander ab. Beide Walzenelemente 21, 22 weisen im Bereich ihrer Mantelflächen 21.1, 22.1 eine Mehrzahl von Formelementen 23, 24 auf. Erste Formelemente 23 des ersten Walzenelements 21 sind in einem Führungsrahmen 25 aufgenommen, innerhalb dessen sie radial bezüglich der ersten Drehachse A verschiebbar sind. Jedes erste Formelement 23 ist dabei in einem radial verlaufenden Führungskanal 26 innerhalb des Führungsrahmens 25 angeordnet, dessen Querschnitt auf den Querschnitt des Formelements 23 abgestimmt ist. Der Führungsrahmen 25 bildet auch die erste Mantelfläche 21.1 des ersten Walzenelements 21. Jeweils ein erstes Formelement 23 ist einem zweiten Formelement 24 des zweiten Walzenelements 22 zugeordnet und wirkt im Pressbereich 29 mit diesem zusammen, um Pulver P zu Granulat G zu verpressen. Die zweiten Formelemente 24 sind bei diesem Ausführungsbeispiel positionsfest am zweiten Walzenelement 22 angeordnet und ragen radial geringfügig über die zweite Mantelfläche 22.1 des zweiten Walzenelements 22 hinaus.
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Innerhalb des ersten Walzenelements 21 ist ein walzenförmiges Nockenelement 28 angeordnet, das exzentrisch zur ersten Drehachse A, allerdings rotationssymmetrisch zu einer hierzu parallelen Nockenachse C ausgebildet ist. Das Nockenelement 28, das zu einem Nockenmechanismus 27 gehört, wirkt mit den ersten Formelementen 23 zusammen und lenkt diese in Abhängigkeit vom Drehwinkel des ersten Walzenelements 21 radial aus. Dabei können die ersten Formelemente 21 bspw. durch hier nicht dargestellte Federelemente radial nach innen vorgespannt sein. Bei ihrer Bewegung folgen sie somit der Außenkontur 28.1 des Nockenelements 28. Vor sowie beim Erreichen des Pressbereichs 29 ist das jeweilige erste Formelement 23 in den Führungskanal 26 zurückgezogen.
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Wie in 3 erkennbar ist, nimmt der Führungskanal 26 dabei auch Pulver P auf. Bei der weiteren Drehbewegung der Walzenelemente 21, 22 greift das jeweils zugeordnete zweite Formelement 24 in den Führungskanal 26 ein und verschließt diesen so nach außen. Das im Führungskanal 26 enthaltene Pulver P wird zwischen dem ersten Formelement 23 und dem zweiten Formelement 24 zu Granulat G verpresst, wobei der hierfür notwendige Druck einerseits durch die Annäherung der Formelemente 23, 24 entsprechend der Drehbewegung der Walzenelemente 21, 22 aufgebracht wird, andererseits dadurch, dass das erste Formelement 23 im Pressbereich 29 durch das Nockenelement 28 radial nach außen ausgelenkt wird. Das Verpressen erfolgt ohne aktive Erwärmung des Pulvers P. Sofern durch Reibung und Kompression einer Erwärmung als Nebeneffekt auftritt, ist diese so geringfügig, dass das Pulver P sowie insbesondere das darin enthaltene Restpulver R nicht geschmolzen werden.
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Nach dem Verlassen des Pressbereichs 29 entfernen sich die ersten und zweiten Formelemente 23, 24 voneinander, wodurch das Granulat G freigegeben wird. Im günstigsten Fall könnte sich das Granulat G der Schwerkraft folgend bei der weiteren Rotation des ersten Walzenelements 21 aus dem Führungskanal 26 lösen und herabfallen. Um diesen Vorgang zu unterstützen, werden die ersten Formelemente 23 nach Verlassen des Pressbereichs 29 durch das Nockenelement 28 weiter radial nach außen ausgelenkt, wodurch sie in einem Abgabebereich 30 das Granulat G auswerfen. Das Granulat G fällt zusammen mit nicht verpresstem Pulver P der Schwerkraft folgend nach unten zu einer Trennvorrichtung 31, die im dargestellten Beispiel ein zweites Sieb 32 aufweist. Die Körner des Granulats G werden durch das Sieb 32 zurückgehalten und gelangen aufgrund der Schrägstellung des Siebes 32 in einen Container 33, während die Teilchen des Pulvers P durch das Sieb 32 hindurch fallen. Sie werden durch eine Rückführvorrichtung 40 zurück zum Vorratsbehälter 12 geführt und werden im weiteren Verlauf zu Granulat G verpresst. Die Rückführvorrichtung 40 ist hier rein schematisch dargestellt und kann bspw. ein Rohrsystem aufweisen, in dem das Pulver P durch einen Unterdruck zum Vorratsbehälter 12 gesaugt wird.
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Das fertige Granulat G kann im weiteren als Rohmaterial für verschiedene Urformverfahren in der Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden. Im Beispiel von 1 wird es in einer Spritzgießvorrichtung 4 verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- SLS-Anlage
- 2, 32
- Sieb
- 3
- Mischer
- 4
- Spritzgießvorrichtung
- 10
- Vorrichtung
- 11
- Zuführvorrichtung
- 12
- Vorratsbehälter
- 20
- Pressvorrichtung
- 21, 22
- Walzenelement
- 21.1, 22.1
- Mantelflächen
- 23, 24
- Formelement
- 25
- Führungsrahmen
- 26
- Führungskanal
- 27
- Nockenmechanismus
- 28
- Nockenelement
- 28.1
- Außenkontur
- 29
- Pressbereich
- 30
- Abgabebereich
- 31
- Trennvorrichtung
- 33
- Container
- 40
- Rückführvorrichtung
- A, B
- Drehachse
- C
- Nockenachse
- G
- Granulat
- P
- Pulver
- R
- Restpulver
- R1
- Anteil
- Z
- Zusatzstoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- BG 111500 A [0006]
- US 8185229 B2 [0007]
- US 6146560 A [0008]
- US 6284186 B1 [0009]
- US 20080300353 A1 [0010]
