DE102020212669A1

DE102020212669A1 - Entpulverungsvorrichtung sowie Verfahren zum Entpulvern

Info

Publication number: DE102020212669A1
Application number: DE102020212669.0A
Authority: DE
Inventors: Shahrooz Sadeghi Borujeni; Sven Crull; Anwar Shad; Alexander Rütjes; Julian Koopmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2022-04-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Entpulverungsvorrichtung zum Entpulvern eines in einem Pulverbettverfahren gedruckten Grünlings (7), mit zumindest einer Pulver-Absaugeinrichtung (3), mit der loses Pulver (5) absaugbar ist, das den Grünling (7) unter Bildung eines Pulverbetts umgibt. Erfindungsgemäß weist die Entpulverungsvorrichtung (1) eine Diagnoseeinheit (17) auf, mittels der während eines Absaugvorgangs zumindest ein Pulveragglomerat (15) detektierbar ist, wobei bei Detektion eines Pulveragglomerates (15) die Diagnoseeinheit (17) eine automatische Diagnoseroutine startet, in der insbesondere das Pulveragglomerat (15) messbar, dokumentierbar und/oder zerstörbar sowie anschließend absaugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entpulverungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Entpulvern eines Grünlings mit einer Entpulverungsvorrichtung nach dem Anspruch 8.
Beim Binder-Jetting-Verfahren, einem speziellen Pulverbettverfahren zum 3D-Druck eines Grünlings, wird zunächst der Grünling durch schichtweisen Aufbau in einer 3D-Druckvorrichtung gedruckt. Anschließend wird der gedruckte Grünling in einem Sinterprozess unter Festigkeitssteigerung zu einem fertigen Werkstück ausgebacken.
Zur Herstellung einzelner Grünling-Schichten wird bereichsweise Binder auf eine dünne Pulverschicht aufgebracht, so dass der Binder zusammen mit dem Pulver lokal aushärtet. Anschließend wird eine weitere dünne Pulverschicht aufgetragen und erneut bereichsweise Binder auf die dünne Pulverschicht unter Aushärtung aufgebracht. Dieser Ablauf wird solange wiederholt, bis der Grünling fertig gedruckt ist. Danach wird der fertig gedruckte Grünling für den Sinterprozess vorbereitet, wobei überschüssiges und den fertig gedruckten Grünling umgebendes Pulver in einer Entpulverungsvorrichtung abgesaugt wird.
Eine gattungsgemäße Entpulverungsvorrichtung weist eine Pulver-Absaugeinrichtung auf, mittels derer das überschüssige Pulver in einem Absaugvorgang abgesaugt und zur wiederholten Verwendung aufgefangen werden kann. Allerdings nimmt die Qualität des Pulvers mit jedem Druckvorgang ab. Eine geringe Qualität des Pulvers kann daran erkannt werden, dass es beim Drucken des Grünlings vermehrt zur sogenannten Brick-Bildung kommt, bei der sich das überschüssige Pulver zu Pulveragglomeraten zusammenlagert, die die Pulver-Absaugeinrichtung verstopfen und dadurch den Absaugvorgang erschweren.
Aus der DE 10 2016 109 212 A1 ist ein Entpulvern eines Rapid-Prototyping-Bauteils bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Entpulverungsvorrichtung und ein Verfahren zum Entpulvern eines Grünlings mit einer Entpulverungsvorrichtung bereitzustellen, die einen prozesssicheren Absaugvorgang ermöglichen.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 8 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 weist die Entpulverungsvorrichtung eine Diagnoseeinheit auf, mittels der während eines Absaugvorgangs zumindest ein Pulveragglomerat detektierbar ist, wobei bei Detektion eines Pulveragglomerats die Diagnoseeinheit eine automatische Diagnoseroutine startet, in der insbesondere das Pulveragglomerat messbar, dokumentierbar und/oder zerstörbar sowie anschließend absaugbar ist. Dies hat den Vorteil, dass anhand der Dokumentation des Pulveragglomerats eine Information über die Qualität des Pulvers ableitbar ist. Durch Zerstören des Pulveragglomerats wird in vorteilhafter Weise ein prozesssicherer Absaugvorgang ermöglicht.
In einer konkreten Ausführungsform kann die Absaugeinrichtung zumindest eine Absaugdüse aufweisen, deren Düsenöffnung während des Absaugvorgangs mit dem Pulveragglomerat zusetzbar ist. Insbesondere kann die Detektion des Pulveragglomerats an der Düsenöffnung erfolgen. Das Zusetzen der Düsenöffnung durch das Pulveragglomerat kann dahingehend verstanden werden, dass die Düsenöffnung einen Querschnitt aufweist, der derart dimensioniert ist, dass das Pulveragglomerat zwar an der Absaugdüse ansaugbar, jedoch insbesondere nicht über die Düsenöffnung in die Pulver-Absaugeinrichtung einsaugbar ist und daher die Düsenöffnung zusetzt. Durch die Detektion des Pulveragglomerates an der Düsenöffnung wird das Pulveragglomerat an der Stelle detektiert, an der es am ehesten Beeinträchtigungen im Absaugvorgang verursacht. Dadurch werden die Beeinträchtigungen auf den Absaugvorgang schnellstmöglich erkannt. Dies hat den Vorteil, dass auch die Beseitigung der Beeinträchtigungen zeitnah erfolgen und somit der Absaugvorgang sehr effizient ablaufen kann.
Bevorzugt kann zur Detektion des Pulveragglomerats an der Düsenöffnung ein Ist-Zusetzgrad der Absaugdüse erfassbar sein, wobei die Diagnoseeinheit für den Fall, dass der Ist-Zusetzgrad einen vorgegebenen Zusetzgrad-Grenzwert erreicht, die Diagnoseroutine startet. Durch das Erfassen des Ist-Zusetzgrades ist gewährleistet, dass nicht lediglich das Pulveragglomerat an sich, sondern unmittelbar die Auswirkung des Pulveragglomerates auf den Absaugvorgang erfasst wird. Somit wird die Diagnoseroutine nur im Bedarfsfall, das heißt bei einer messbaren Beeinträchtigung des Absaugvorganges, gestartet und die Betriebszeiten, der bei der Diagnoseroutine beteiligten Bausteine oder Bauteile reduziert. Dies hat den Vorteil, dass der Energiebedarf und der Verschleiß der Entpulverungsvorrichtung erheblich reduziert sind.
Besonders bevorzugt kann sich bei mit dem Pulveragglomerat zugesetzter Absaugdüse der Strömungsquerschnitt an der Düsenöffnung reduzieren und sich entsprechend die Strömungsgeschwindigkeit durch die Düsenöffnung erhöhen. In einer bevorzugten Ausführungsform erfasst die Diagnoseeinheit den Ist-Zusetzgrad nicht direkt, sondern kann anstelle dessen die mit dem Ist-Zusetzgrad korrelierende Ist-Strömungsgeschwindigkeit durch die Düsenöffnung mit einem Sensor, insbesondere einem Strömungssensor, erfassen. Durch die unmittelbare Erfassung der Ist-Strömungsgeschwindigkeit können frei am Markt verfügbare Strömungssensoren eingesetzt werden, so dass die Entpulverungsvorrichtung kostengünstig herstellbar ist.
Die Diagnoseeinheit kann ferner einen Vergleicher-Baustein aufweisen, in dem die Ist-Strömungsgeschwindigkeit mit einem Strömungsgeschwindigkeits-Grenzwert vergleichbar ist, der mit dem Zusetzgrad-Grenzwert korreliert. Durch den Vergleicher-Baustein kann die gemessene Ist-Strömungsgeschwindigkeit in Relation zu einem praxisrelevanten Grenzwert gesetzt werden, so dass die Diagnoseroutine nur im Bedarfsfall, das heißt bei einer messbaren Beeinträchtigung des Absaugvorganges, gestartet wird, so dass die Betriebszeiten der bei der Diagnoseroutine beteiligten Bausteine oder Bauteile noch weiter reduziert werden können. Dies hat den Vorteil, dass auch der Energiebedarf und auch der Verschleiß der Entpulverungsvorrichtung noch weiter reduziert sind.
Bevorzugt kann der Zusetzgrad-Grenzwert mit einer vordefinierten Anzahl an Pulveragglomeraten und/oder mindestens einer Abmessung und/oder Form des Pulveragglomerates korrelieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Diagnoseeinheit eine Analyseeinrichtung aufweisen, die aus einem optischen Baustein, insbesondere 2D-Laserscanner oder einer Kamera, mit dem das Pulveragglomerat optisch erfassbar ist, aus einem Mess-Baustein, mit dem das optisch erfasste Pulveragglomerat vermessbar ist, und aus einer Datenbank aufgebaut sein kann, in dem das optisch erfasste und/oder vermessene Pulveragglomerat zur Dokumentation hinterlegbar ist. In dem Mess-Baustein kann die Anzahl und/oder mindestens eine Abmessung und/oder eine Form des Pulveragglomerats vermessen werden. Bevorzugt kann der Mess-Baustein anhand der in der Datenbank hinterlegten Daten ableiten, ob das Pulver abgesaugte für eine erneute Verwendung geeignet ist oder nicht. Falls das abgesaugte Pulver für eine erneute Verwendung nicht geeignet ist, so kann ein Warnsignal an einen Bediener der Entpulverungsvorrichtung ausgegeben werden, das ihn darüber informiert, dass das abgesaugte Pulver vor der Durchführung weiterer Druckvorgänge zu ersetzen ist. Das Warnsignal kann ein optisches und/oder haptisches und/oder akustisches Signal sein. Die Qualität des Pulvers muss daher nicht laufend manuell überwacht werden, so dass die Entpulverungsvorrichtung in vorteilhafter Weise bis zum Auftreten des Warnsignals ohne Eingreifen des Bedieners selbstständig läuft.
Besonders bevorzugt und in Abkehr vom Stand der Technik kann der optische Baustein, insbesondere eine Kamera oder ein 2D-Laserscanner, zusätzlich auch die Funktion des Strömungssensors übernehmen, so dass der Ist-Zusetzgrad nicht von einem separaten Strömungssensor, sondern zusätzlich von dem optischen Baustein erfassbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Entpulverungsvorrichtung nur einen sehr geringen Bauteilbedarf aufweist.
In einer konkreten Ausführungsform kann die Diagnoseeinheit einen Vibrations-Baustein aufweisen, der bei Detektion des Pulveragglomerates die Absaugdüse in eine Vibrationsbewegung versetzt, um das die Düsenöffnung zusetzende Pulveragglomerat in kleinere Pulversegmente zu zerstören, die von der Absaugdüse absaugbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Absaugdüse nicht mehr manuell von dem Pulveragglomerat gereinigt werden muss, sondern stattdessen ein automatisches Abreinigen der Absaugdüse durchgeführt wird.
Bevorzugt kann der Vergleicher-Baustein bei Vorliegen des Pulveragglomerats ein Triggersignal generieren, um die Diagnoseroutine zu starten. Insbesondere kann mit dem Triggersignal (S_T) die Analyseeinrichtung und/oder der Vibrations-Baustein aktivierbar sein.
Besonders bevorzugt kann der Grünling in einem 3D-Druckverfahren, insbesondere in einem Pulverbettverfahren, wie beispielhaft dem Binder-Jetting-Verfahren, hergestellt sein.
Das Pulver kann ein metallisches Pulver mit einer Korngröße im Bereich von 15 µm bis einschließlich 55 µm sein. Der Binder kann ein Polymer- und/oder Latex-Binder sein. Die Absaugdüse oder die Düsenöffnung kann einen rechteckförmige oder einen runden Querschnitt aufweisen. Bei einem rechteckförmigen Querschnitt kann die Absaugdüse oder die Düsenöffnung beispielhaft 3 cm lang und 1 cm breit sein. Bei einem kreisförmigen Querschnitt kann die Absaugdüse oder die Düsenöffnung einen Durchmesser von 2 cm bis einschließlich 5 cm aufweisen. Das Pulveragglomerat oder die Pulveragglomerate können quaderförmig oder kugelförmig sein und insbesondere eine Länge, eine Breite und eine Höhe von jeweils 1 bis 5 cm aufweisen.
Es zeigen:

1 in einer schematischen Schnittansicht eine Entpulverungsvorrichtung mit einer Diagnoseeinheit zur Detektion eines Pulveragglomerats, und
2 in einer stark vergrößerten Schnittansicht eine Absaugdüse der Entpulverungsvorrichtung der 1.

In der 1 ist eine Entpulverungsvorrichtung 1 mit einer Pulver-Absaugeinrichtung 3 dargestellt. Mit der Pulver-Absaugeinrichtung 3 wird loses Pulver 5 abgesaugt, das einen in einem Binder-Jetting-Verfahren (ein spezielles Pulverbettverfahren) gedruckten Grünling 7 unter Bildung eines Pulverbettes umgibt. Die Pulver-Absaugeinrichtung 3 weist eine Absaugdüse 9 auf, die über eine Verstelleinrichtung 11 relativ zu dem Grünling 7 verstellbar ist. An der Absaugdüse 9 ist eine Düsenöffnung 13 vorgesehen, über die das lose Pulver 5 in einem Absaugvorgang in die Pulver-Absaugeinrichtung 3 abgesaugt wird. Das abgesaugte Pulver wird anschließend zur erneuten Verwendung aufgefangen.
Die Qualität des Pulvers 5 nimmt mit der Anzahl erfolgter Druckvorgänge ab, wodurch vermehrt Pulveragglomerate 15 auftreten, die die Absaugdüse 9 zusetzen und dadurch den Absaugvorgang erschweren. Um die Qualität des Pulvers 5 zu überwachen, weist die Entpulverungsvorrichtung 1 daher eine Diagnoseeinheit 17 auf, mit der die Pulveragglomerate 15 an der Düsenöffnung detektiert werden. Der Aufbau und die Funktion der Diagnoseeinheit 17 ist anhand der 2 näher erläutert.
Die Diagnoseeinheit 17 weist einen Vergleicher-Baustein 19 und eine Analyseeinrichtung 21 auf, die wiederum aus einem 2D-Laserscanner 23, einem Mess-Baustein 25 und einer Datenbank 27 aufgebaut ist. Der Vergleicher-Baustein 19 ist in Signalverbindung mit dem 2D-Laserscanner 23, einem Strömungssensor 29 und einem Vibrations-Baustein 31. Der 2D-Laserscanner 23 ist auf die Düsenöffnung 13 gerichtet und erfasst dort das Pulveragglomerat 15 an der Düsenöffnung 13. Der Strömungssensor 29 erfasst die Ist-Strömungsgeschwindigkeit v_IST durch die Düsenöffnung 13 während des Absaugvorganges.
Durch das Anlagern des Pulveragglomerates 15 an der Düsenöffnung 13 während des Absaugvorganges setzt sich die Düsenöffnung 13 zu und der Strömungsquerschnitt an der Düsenöffnung 13 reduziert sich. Das heißt, dass sich dadurch lokal, im Bereich der Düsenöffnung, die Ist-Strömungsgeschwindigkeit v_IST (korreliert mit einem Ist-Zusetzgrad) erhöht, die von dem Strömungssensor 29 erfasst wird. Die erfasste Ist-Strömungsgeschwindigkeit v_IST wird an den Vergleicher-Baustein 19 übermittelt und mit einem hinterlegten Strömungsgeschwindigkeits-Grenzwert v_G verglichen (korreliert mit einem Zusetzgrad-Grenzwert). Falls die Ist-Strömungsgeschwindigkeit v_IST den hinterlegten Strömungsgeschwindigkeits-Grenzwert v_G erreicht oder überschreitet, so wird von dem Vergleicher-Baustein 19 ein Triggersignal S_T generiert, woraufhin eine automatische Diagnoseroutine gestartet und die Analyseeinrichtung 21 aktiviert wird.
Die aktivierte Analyseeinrichtung 21 führt eine optische Erfassung des Pulveragglomerates 15 an der Düsenöffnung 13 durch und übermittelt die dabei ermittelten Erfassungsdaten an den Mess-Baustein 25, der die Erfassungsdaten in der Datenbank 27 hinterlegt. Nach dem Hinterlegen der Erfassungsdaten wird auch die Vibrationseinheit 31 durch das Triggersignal S_T aktiviert, so dass die Absaugdüse 9 in eine Vibrationsbewegung versetzt wird, wodurch das Pulveragglomerat 15 zu kleineren Pulversegmenten zerstört wird, die anschließend über die Düsenöffnung 13 von der Pulver-Absaugeinrichtung 3 abgesaugt werden.
Anhand der hinterlegten Erfassungsdaten werden mittels der Analyseeinrichtung 21 die Anzahl der während des Absaugvorganges aufgetreten Pulveragglomerate 15 sowie deren Größe bestimmt und daraus abgeleitet, ob das Pulver 5 für eine erneute Verwendung geeignet ist oder nicht. Falls das Pulver 5 für eine erneute Verwendung nicht geeignet ist, wird ein Warnsignal an einen Bediener der Entpulverungsvorrichtung 1 ausgegeben, so dass dieser das Pulver 5 für weitere Druckvorgänge rechtzeitig ersetzen kann.
Bezugszeichenliste

1: Entpulverungsvorrichtung
3: Pulver-Absaugeinrichtung
5: Pulver
7: Grünling
9: Absaugdüse
11: Verstelleinrichtung
13: Düsenöffnung
15: Pulveragglomerat
17: Diagnoseeinheit
19: Vergleicher-Baustein
21: Analyseeinrichtung
23: 2D-Laserscanner
25: Mess-Baustein
27: Datenbank
29: Strömungssensor
31: Vibrations-Baustein
vIST: Ist-Strömungsgeschwindigkeit
vG: Strömungsgeschwindigkeits-Grenzwert
ST: Triggersignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016109212 A1 [0005]

Claims

Entpulverungsvorrichtung zum Entpulvern eines in einem Pulverbettverfahren gedruckten Grünlings (7), mit zumindest einer Pulver-Absaugeinrichtung (3), mit der loses Pulver (5) absaugbar ist, das den Grünling (7) unter Bildung eines Pulverbetts umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Entpulverungsvorrichtung (1) eine Diagnoseeinheit (17) aufweist, mittels der während eines Absaugvorgangs zumindest ein Pulveragglomerat (15) detektierbar ist, und dass bei Detektion eines Pulveragglomerates (15) die Diagnoseeinheit (17) eine automatische Diagnoseroutine startet, in der insbesondere das Pulveragglomerat (15) messbar, dokumentierbar und/oder zerstörbar sowie anschließend absaugbar ist.
Entpulverungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver-Absaugeinrichtung (3) zumindest eine Absaugdüse (9) aufweist, deren Düsenöffnung (13) während des Absaugvorgangs mit dem Pulveragglomerat (15) zusetzbar ist, und dass insbesondere die Detektion des Pulveragglomerats (15) an der Düsenöffnung (13) erfolgt.
Entpulverungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Pulveragglomerats (15) an der Düsenöffnung (13) ein Ist-Zusetzgrad der Absaugdüse (9) erfassbar ist, und dass die Diagnoseeinheit (17) für den Fall, dass der Ist-Zusetzgrad einen vorgegebenen Zusetzgrad-Grenzwert erreicht, die Diagnoseroutine startet.
Entpulverungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei mit dem Pulveragglomerat (15) zugesetzter Absaugdüse (9) sich der Strömungsquerschnitt an der Düsenöffnung (13) reduziert und sich entsprechend die Strömungsgeschwindigkeit durch die Düsenöffnung (13) erhöht, und dass die Diagnoseeinheit (17) den Ist-Zusetzgrad nicht direkt erfasst, sondern anstelle dessen die mit dem Ist-Zusetzgrad korrelierende Ist-Strömungsgeschwindigkeit (v_IST) durch die Düsenöffnung (13) mit einem Sensor (29) erfasst, und dass die Diagnoseeinheit (17) einen Vergleicher-Baustein (19) aufweist, in dem die Ist-Strömungsgeschwindigkeit (v_IST) mit einem Strömungsgeschwindigkeits-Grenzwert (v_G) vergleichbar ist, der mit dem Zusetzgrad-Grenzwert korreliert.
Entpulverungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit (17) eine Analyseeinrichtung (21) aufweist, und dass die Analyseeinrichtung (21) aus einem optischen Baustein, insbesondere 2D-Laserscanner (23), mit dem das Pulveragglomerat (15) optisch erfassbar ist, aus einem Mess-Baustein (25), mit dem das optisch erfasste Pulveragglomerat (15) vermessbar ist, und aus einer Datenbank (27) aufgebaut ist, in dem das optisch erfasste und/vermessene Pulveragglomerat (15) zur Dokumentation hinterlegbar ist.
Entpulverungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnoseeinheit (17) einen Vibrations-Baustein (31) aufweist, der bei Detektion des Pulveragglomerates (15) die Absaugdüse (9) in eine Vibrationsbewegung versetzt, um das die Düsenöffnung (13) zusetzende Pulveragglomerat (15) in kleinere Pulversegmente zu zerstören, die von der Absaugdüse (9) absaugbar sind.
Entpulverungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleicher-Baustein (19) bei Vorliegen des Pulveragglomerats (15) ein Triggersignal (S_T) generiert, um die Diagnoseroutine zu starten, und dass insbesondere mit dem Triggersignal (S_T) die Analyseeinrichtung (21) und/oder der Vibrations-Baustein (31) aktivierbar sind.
Verfahren zum Entpulvern eines Grünlings mit einer Entpulverungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.