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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Dosierungsvorrichtung für Prozesspulver. Zudem betrifft die Erfindung eine additive Fertigungsvorrichtung sowie ein Dosierungsverfahren.
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Derartige Dosierungsvorrichtungen kommen typischerweise an additiven Fertigungsvorrichtungen zu Einsatz, die zum Fertigen von Werkstücken aus dem Prozesspulver ausgebildet sind. Die Dosierungsvorrichtung wird unter anderem dafür verwendet, das Prozesspulver einer Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung zuzuführen.
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Die Pulverzuführung kann entweder zeitbasiert, volumenbasiert oder gewichtsbasiert erfolgen. Die volumenbasierte Zuführung ist für verschiedene Dosierfaktoren technisch schwer umsetzbar. Die zeitbasierte Dosierung ist stark abhängig von der Fließfähigkeit des Prozesspulvers (die gewichtsbasierte Dosierung weist demgegenüber die niedrigsten Risiken in Bezug auf den Dosierungsvorgang auf).
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Dosierungsvorrichtungen bekannt.
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DE 10 2012 014 839 A1 beschreibt eine Dosierkammer mit zwei steuerbaren Ventilen und einer Wägeeinrichtung für eine additive Fertigungsvorrichtung, wobei die Dosierkammer zum Bevorraten eines Aufbaumaterials für die additive Fertigung ausgebildet ist.
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WO 2015/187422 A1 beschreibt einen Beschichter für eine additive Fertigungsvorrichtung, wobei der Beschichter verschiedene Pulverbehälter mitführt, wobei das Pulver aus den Pulverbehältern mittels Vibration über eine Rutsche der Arbeitsbox zugeführt wird.
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US 11,345,083 B2 beschreibt eine additive Fertigungsvorrichtung mit einem überwiegend außerhalb einer Prozesskammer angeordneten vibrierenden Verteilerkanal. Der Verteilerkanal ist zum Befördern von Arbeitspulver in die Prozesskammer ausgebildet, wobei das Arbeitspulver innerhalb der Prozesskammer mittels einer Pulverempfangsfläche weiterverteilt wird.
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Insbesondere bei den zuletzt genannten Dosierungsvorrichtungen kann es in der Folge der niederfrequenten Schwingungsanregung zu einer Entmischung des Arbeitspulvers kommen. Mit anderen Worten werden feinere Pulverteilchen von gröberen Pulverteilchen separiert, wodurch die Fertigungsqualität der additiven Fertigungsvorrichtung gemindert wird.
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Zudem führt die niederfrequente Schwingungsanregung zu einer mechanischen Belastung der angeregten Komponenten. Hierdurch wird die Maschinenstandzeit der additiven Fertigungsvorrichtung gesenkt und die Kosten für Wartung und Reparatur erhöht.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dosierungsvorrichtung mit hoher Maschinenstandzeit anzugeben, die eine prozesssichere Dosierung von Prozesspulver durch Aufrechterhalten der Prozesspulverdurchmischung ermöglicht.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Dosierungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Zudem wird die Aufgabe gelöst durch eine additive Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 16 und ein Dosierungsverfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18. Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist eine Dosierungsvorrichtung vorgesehen. Die Dosierungsvorrichtung ist zum Befördern von Prozesspulver in eine Prozesskammer einer additiven Fertigungsvorrichtung geeignet, insbesondere ausgebildet.
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Unter einem Prozesspulver ist ein Arbeitsmittel, insbesondere einer additiven Fertigungsvorrichtung, in Pulverform zu verstehen. Mit anderen Worten dient das Prozesspulver dem Erstellen eines Werkstücks. Ein Werkstück kann aus verschiedenen Prozesspulvern, wie beispielsweise Aluminium, Silizium, Magnesium, Korund oder Titan erzeugt werden. Die Aufzählung ist nicht als abschließend zu verstehen. Die verschiedenen Prozesspulver können sich beispielsweise durch die Pulverteilchengrößen des Prozesspulvers, das Pulvermaterial, insbesondere eine Mischung verschiedener Pulvermaterialien, und/oder die Pulverfarbe unterscheiden. Beispielsweise kann die Verwendung einer Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung vorgesehen sein. Die Dosierungsvorrichtung ist vorzugsweise an eine Vielzahl von verschiedenen Prozesspulvern anpassbar ausgebildet.
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Die Dosierungsvorrichtung weist zumindest einen Pulverschacht auf. Der Pulverschacht dient der Bevorratung bzw. Zwischenlagerung von Prozesspulver. Mit anderen Worten ist ein Pulverreservoir vorgesehen. Die Dosierungsvorrichtung kann mehrere Pulverschächte für verschiedene Prozesspulver aufweisen.
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Der Pulverschacht weist zumindest eine Pulvereintrittsöffnung und zumindest eine Pulveraustrittsöffnung auf. Die Pulvereintrittsöffnung ist typischerweise zum Befüllen des Pulverschachts mit Prozesspulver ausgebildet. Die Pulveraustrittsöffnung ist typischerweise zum Weiterbefördern des Prozesspulvers, bzw. zum Leeren des Pulverschachts ausgebildet. Die Pulvereintrittsöffnung bzw. die Summe der Pulvereintrittsöffnungen ist typischerweise kleiner als die Pulveraustrittsöffnung bzw. die Summe der Pulveraustrittsöffnungen.
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Der Pulverschacht ist vorzugsweise zur überwiegend lotrechten Beförderung des Prozesspulvers von der Pulvereintrittsöffnung zu der Pulveraustrittsöffnung ausgebildet. Mit anderen Worten kann das Prozesspulver innerhalb des Pulverschachts überwiegend, insbesondere vollständig, unter Schwerkrafteinwirkung von einem oberen Ende des Pulverschachts zu einem unteren Ende des Pulverschachts befördert werden.
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Die hier und im Folgenden Begriffe „unten“, „oben“, „hoch“, „tief“, „Unterseite“ und „Oberseite“ beziehen sich auf eine in Richtung der Schwerkraftwirkung zu verstehende Ortsangabe.
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Das Prozesspulver fällt bzw. rieselt typischerweise von der Pulvereintrittsöffnung lotrecht in Richtung der Pulveraustrittsöffnung. Vorzugsweise wird der Pulverschacht im Bereich der Pulveraustrittsöffnung, insbesondere über eine gesamte Schachtbreite des Pulverschachts, gleichmäßig mit Prozesspulver berieselt. Mit anderen Worten weitet sich die mit dem Prozesspulver beaufschlagte Fläche von der Pulvereintrittsöffnung kegelartig in Richtung der Pulveraustrittsöffnung. Die Pulveraustrittsöffnung kann eine aus dem Pulverschacht ausgebbare Prozesspulvermenge begrenzen.
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Der Pulverschacht kann mehrere Pulvereintrittsöffnungen aufweisen, um ein gleichmäßige Verteilung des Prozesspulvers in dem Pulverschacht zu begünstigen.
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Mit zunehmendem Befüllen des Pulverschachts mit Prozesspulver bildet sich typischerweise eine sogenannte stehende Pulversäule in dem Pulverschacht. Mit anderen Worten bildet die Aufschüttung der zueinander lose angeordneten Pulverteilchen des Prozesspulvers eine selbsthemmende Pulverstruktur aus, die ein Abrieseln des Prozesspulvers durch die Pulveraustrittsöffnung verhindert. Die Schüttdichte des in der stehenden Pulversäule angeordneten Prozesspulvers kann abhängig von dem verwendeten Prozesspulver beispielsweise 60 Volumenprozent betragen.
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Vorzugsweise kann der Pulverschacht eine Vibrationseinheit aufweisen. Die Vibrationseinheit kann zum Aufheben der selbsthemmenden Pulverstruktur ausgebildet sein. Hierfür kann die Vibrationseinheit beispielsweise sogenannte Klopfer, Vibratoren und/oder schwingungsangeregte Bauteile, insbesondere Stäbe aufweisen, die den Pulverschacht in Schwingung versetzen. Vorzugsweise wird der Pulverschacht mit einer Ultraschallschwingung angeregt. Die Vibrationseinheit kann außerhalb und/oder innerhalb des Pulverschachts angeordnet, bzw. ausgebildet sein. Durch die Vibrationseinheit kann das, insbesondere vollständige, Befüllen des Pulverschachts begünstigt werden. Ferner kann die gleichmäßige Ausgabe des Prozesspulvers über die Pulveraustrittsöffnung verbessert werden.
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Vorzugsweise kann der Pulverschacht eine Temperierungsvorrichtung aufweisen. Die Temperierungsvorrichtung kann zum Temperieren, insbesondere Vorwärmen, und/oder Trocknen des in dem Pulverschacht bevorrateten Prozesspulvers dienen. Hierdurch kann eine besonders gleichmäßige Vorkonditionierung des zuzuführenden Prozesspulvers erfolgen, wodurch die Beförderung vereinheitlicht sowie die Fertigungsqualität einer additiven Fertigungsvorrichtung erhöht werden kann.
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Die Dosierungsvorrichtung weist eine Förderrampe auf. Die Förderrampe ist an und/oder in der Pulveraustrittsöffnung des zumindest einen Pulverschachts angeordnet. Die Förderrampe kann an und/oder in den Pulveraustrittsöffnungen verschiedener Pulverschächte angeordnet sein. Ferner kann die Dosierungsvorrichtung mehrere, insbesondere parallel zueinander angeordnete Förderrampen aufweisen, die jeweils, insbesondere mechanisch voneinander entkoppelt, an einer oder mehreren Pulveraustrittsöffnungen eines einzelnen Pulverschachts angeordnet sind. Die Förderrampe weist ein Rampengefälle auf. Das Rampengefälle führt von der Pulveraustrittsöffnung weg. Mit anderen Worten bildet die Förderrampe an dem Pulverschacht den höchsten Punkt aus.
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Die Förderrampe weist vorzugsweise eine Rampenlänge auf, die zum Befördern des Prozesspulvers in die Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung ausgebildet ist. Durch Ausbilden einer Förderrampe mit entsprechender Rampenlänge, kann der Pulverschacht, vorzugsweise weit, von der Prozesskammer beabstandet werden. Die Rampenlänge kann beispielsweise zwischen 100 und 1000 Millimetern betragen. Hierdurch kann die Prozesskammer flexibler gestaltet werden.
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Die Dosierungsvorrichtung weist einen Aktuator, beispielsweise einen sogenannten Shaker, auf. Der Aktuator ist typischerweise elektrisch gesteuert und zum Wandeln einer elektrischen Schwingung in eine mechanische Schwingung ausgebildet. Typischerweise ist vorgesehen, dass der Aktuator mittels eines Generators mit einer elektrischen Schwingung, insbesondere einer Wechselspannung angesteuert wird. Der Aktuator kann einen Amplitudenwandler aufweisen, der zum Verstärken und/oder Mindern einer mechanischen Schwingungsamplitude ausgebildet ist. Der Aktuator ist mit der Förderrampe mechanisch gekoppelt. Vorzugsweise ist der Aktuator an der Förderrampe, insbesondere einer Unterseite der Förderrampe, befestigt. Der Aktuator ist zum Anregen der Förderrampe mit einer vorbestimmten Schwingungsfrequenz ausgebildet. Die Schwingungsfrequenz beträgt 1 kHz (ein Kilohertz) oder mehr.
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Zusammenfassend wird die zugrundeliegende Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Dosierungsvorrichtung mit einem Pulverschacht, einer Förderrampe und einem mit der Förderrampe mechanisch gekoppelten Aktuator gelöst. Das Prozesspulver ist im Betrieb der Dosierungsvorrichtung selbsthemmend in dem Pulverschacht angeordnet. Soll Prozesspulver durch die Dosierungsvorrichtung gefördert werden, wird die Förderrampe durch den Aktuator in eine Schwingung mit einer Schwingungsfrequenz von 1 kHz oder mehr versetzt. Hierdurch wird eine relative Bewegung zwischen der Förderrampe und der in dem Pulverschacht bevorrateten Pulversäule bewirkt, was zu einem Abtragen der unteren Pulverschichten der Pulversäule führt. Das abgetragene Prozesspulver wird durch die Schwingung der Förderrampe gemäß dem Rampengefälle von dem Pulverschacht weggeführt, bzw. wegvibriert. Aufgrund der hochfrequenten Schwingung erfolgt keine Entmischung des Prozesspulvers, wodurch die Fertigungsqualität einer additiven Fertigungsvorrichtung angehoben werden kann. Ferner führt die hochfrequente Schwingung zu lediglich geringen mechanischen Relativbewegungen und mithin zu vernachlässigbaren mechanischen Beanspruchungen der Dosierungsvorrichtung, was sich günstig auf die Maschinenstandzeit der Dosierungsvorrichtung auswirkt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung weist der Pulverschacht die Austrittsöffnung an einer Unterseite auf. Vorzugsweise bildet die Förderrampe eine Wandung des Pulverschachts aus. Die Förderrampe ist dabei vorzugsweise in einem Rampenabstand unterhalb der Austrittsöffnung angeordnet und bildet zusammen mit dem Pulverschacht einen Pulverengpass aus. Mit anderen Worten ist der Pulverengpass als überwiegend lotrechter begrenzter Spalt mit einer vorbestimmten Spalthöhe zwischen dem Pulverschacht und der Förderrampe zu verstehen. Die Spalthöhe beträgt vorzugsweise zwischen 2 und 20 Millimeter. Der Pulverengpass begrenzt typischerweise eine durch die Förderrampe abtragbare Prozesspulvermenge. Die Spalthöhe ist besonders bevorzugt an das zu befördernde Prozesspulver und/oder eine zu befördernde Prozesspulvermenge angepasst. Durch entsprechende Ausbildung des Rampenabstands kann die Pulverdosierung des Prozesspulvers eingestellt werden.
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Bevorzugt ist eine Weiterbildung der Dosierungsvorrichtung, bei der die Dosierungsvorrichtung eine an dem Pulverengpass angeordnete Dosierblende aufweist. Die Dosierblende ist vorzugsweise lotrecht bewegbar ausgebildet. Die Dosierblende kann mechanisch bewegbar bzw. steuerbar ausgebildet sein. Hierdurch kann ein Pulverengpass, insbesondere automatisch, während des Betriebs der Dosierungsvorrichtung eingestellt werden. Die Dosierblende ist weiter vorzugsweise zum weiteren Begrenzen und/oder Vergrößern des Pulverengpasses, insbesondere durch Reduzieren und/oder Vergrößern der Spalthöhe, ausgebildet. Hierdurch kann ein Einstellen einer Pulveraustrittsmenge durch den Pulverengpass besonders schnell, insbesondere bei Verwendung eines anderen Prozesspulvers, eingestellt werden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass der Pulverengpass vergrößert wird, wenn eine vorbestimmte Prozesspulvermenge in kürzerer Zeit durch die Förderrampe befördert werden soll. Besonders bevorzugt kann die Dosierblende zum vollständigen Verschließen des Pulverengpasses ausgebildet sein. Hierdurch kann das Abtragen von neuem Prozesspulver aus dem Pulverschacht verhindert und lediglich das bereits auf der Förderrampe befindliche Prozesspulver weiterbefördert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung ist die Förderrampe mechanisch entkoppelt an dem Pulverschacht angeordnet. Vorzugsweise besteht keine oder eine stark gedämpfte mechanische Verbindung zwischen dem Pulverschacht und der Förderrampe. Hierdurch kann ein Schwingen des Pulverschachts im Betrieb der Förderrampe vermieden werden, was sich günstig auf den Energieeintrag zum Erzeugen der Schwingung durch den Aktuator auswirkt.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der sich die Pulveraustrittsöffnung über die gesamte Schachtbreite des Pulverschachts erstreckt. Hierdurch kann eine möglichst breite Pulversäule bereitgestellt werden. Vorzugsweise erstreckt sich eine Rampenbreite der Förderrampe zumindest über die gesamte Schachtbreite des Pulverschachts. Besonders bevorzugt ist die Rampenbreite größer als die Schachtbreite. Hierdurch kann ein seitliches Abrieseln von Prozesspulver vermieden werden.
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Die Förderrampe ist vorzugsweise gerade ausgebildet, sodass die Förderrampe ein gleich bleibendes Rampengefälle aufweist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung beträgt das Rampengefälle mindestens 0,5 Grad, vorzugsweise mindestens 8 Grad, besonders bevorzugt mindestens 15 Grad, aufweist. Mit zunehmendem Gefälle kann die Abrieselhemmung des Prozesspulvers verringert und die Fördergeschwindigkeit der Förderrampe erhöht werden.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der das Rampengefälle höchstens 45 Grad, vorzugsweise höchstens 25 Grad, besonders bevorzugt höchstens 15 Grad, aufweist. Mit sinkendem Rampengefälle kann das selbsttätige Abrieseln von fließwilligem Prozesspulver vermindert werden.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich insbesondere bei einem Rampengefälle zwischen 8 und 15 Grad die Beförderung von Prozesspulver unabhängig von dessen Fließeigenschaften erfolgen kann.
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Besonders bevorzugt ist das Rampengefälle mechanisch einstellbar. Die Dosierungsvorrichtung kann hierfür beispielsweise einen Stellantrieb aufweisen. Insbesondere kann das Rampengefälle in Kenntnis des zu fördernden Prozesspulvers, beispielsweise in Abhängigkeit der Teilchengröße des Prozesspulvers, automatisch einstellbar sein. Hierdurch kann der Automatisierungsgrad sowie die Fördergenauigkeit der Dosierungsvorrichtung erhöht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung ist der Aktuator zum gepulsten Anregen der Förderrampe ausgebildet. Mit anderen Worten regt der Aktuator die Förderrampe diskontinuierlich an. Eine gepulste Anregung führt zu einem schwallartigen bzw. schubartigen Abtrennen des Prozesspulvers von der Pulversäule und/oder zum schwallartigen bzw. schubweisen Befördern des Prozesspulvers über die Förderrampe. Mittels einer vorbestimmten Anregungsdauer der Förderrampe durch den Aktuator kann die abgetragene bzw. geförderte Prozesspulvermenge reproduzierbar eingestellt werden. Beispielsweise kann ein Prozesspulverbedarf zum Auffüllen einer quadratischen Arbeitsmulde mit den Abmessungen von 600 x 600 Millimetern mit einer Muldentiefe von ca. 60 µm bei Edelstahl als Prozesspulver ca. 150 g betragen. Bei gegebenen Abmessungen des Pulverengpasses kann der Prozesspulverbedarf beispielsweise über eine vorbestimmte Anregungsdauer durch den Aktuator aus dem Pulverschacht abgetragen werden. Ein Abwiegen der Prozesspulvermenge kann entfallen. Mit anderen Worten kann das Befördern des Prozesspulvers auf eine Abnahme des Prozesspulvers, bspw. durch einen Beschichter in der Prozesskammer abgestimmt werden. Die Beförderung des Prozesspulvers kann mithin auf das additive Fertigungsverfahren getaktet erfolgen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Anregung der Förderrampe durch den Aktuator mit einer Anregungsdauer zwischen 1 und 10 Sekunden, insbesondere zwischen 1 und 3 Sekunden, ein schwallartiges Abtrennen des Prozesspulvers und/oder eine schwallartige Beförderung des Prozesspulvers begünstigt.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der der Aktuator zum Anregen der Förderrampe mittels einer Ultraschall-Schwingungsfrequenz ausgebildet ist. Ultraschall begünstigt das Abtrennen und Fördern des Prozesspulvers, führt weiterhin zu einer besonders geringen mechanischen Belastung der Dosierungsvorrichtung und kann Verunreinigungen der Dosierungsvorrichtung besonders gut vorbeugen. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere eine Schwingungsfrequenz zwischen 30 und 38 kHz besonders günstig auf die vorgenannten Vorteile wirkt.
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Die Ultraschallanregung kann mit einer Leistung von mindestens 5 Watt, bevorzugt mindestens 10 Watt, besonders bevorzugt mindestens 15 Watt erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ultraschallanregung mit einer Leistung von höchstens 200 Watt, bevorzugt höchstens 60 Watt, besonders bevorzugt höchstens 40 Watt erfolgen. Hierdurch können die vorhergenannten Vorteile bei möglichst geringem Energieeintrag bewirkt werden.
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Die Schwingung der Förderrampe erfolgt vorzugsweise in einer vertikal ausgerichteten Ebene.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung sieht vor, dass die Förderrampe aus Metall ausgebildet ist. Metall hat sich als besonders geeignet hinsichtlich des Schwingverhaltens herausgestellt. Die Förderrampe kann eine Rampendicke von mindestens zwei Millimetern, besonders bevorzugt von mindestens fünf Millimetern aufweisen. Eine größere Rampendicke kann Verformungen der Förderrampe unter der Schwingungsanregung des Aktuators mindern, wodurch eine gleichmäßigere Beförderung des Prozesspulvers, insbesondere über die Rampenbreite, ermöglicht wird. Vorzugsweise ist die Rampendicke auf die durch den Aktuator übertragene Schwingungsfrequenz abgestimmt.
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Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der die Förderrampe eine konstante Rampenbreite aufweist. Mit anderen Worten weist die Förderrampe eine konstante Beförderungsbreite bzw. Pulverzustellbreite auf. Die Rampenbreite nimmt entlang der Rampenlänge weder zu noch ab. Das beförderte Prozesspulver kann so entlang dem Rampengefälle befördert werden, ohne dass sich eine Pulveranhäufung ausbildet. Mit anderen Worten ändert sich die Position eines von der Pulversäule abgetragenen Pulverteilchens lediglich in einer Förderrichtung der Förderrampe. Dies ist beispielsweise bei additiven Fertigungsvorrichtungen mit einem rechteckigen Arbeitszylinder vorteilhaft. Ein möglicherweise eingesetzter Beschichter kann das zugestellte Prozesspulver in diesem Fall besonders einfach in der Arbeitsmulde verteilen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Förderrampe eine sich in Gefällerichtung verändernde Rampenbreite aufweist. Die Rampenbreite kann sich beispielsweise verjüngen oder erweitern. Hierdurch wird das über die Förderrampe beförderte Prozesspulver auf eine veränderte Zustellbreite konzentriert oder gestreckt. Insbesondere können gewünschte Pulveranhäufungen entstehen. Dies ist beispielsweise bei einer additiven Fertigungsvorrichtung von Vorteil, die einen runden Arbeitszylinder aufweist. Ein Beschichter weist zum Füllen einer Arbeitsmulde eines solchen Arbeitszylinders mit Prozesspulver typischerweise einen erhöhten Prozesspulverbedarf beim Füllen entlang einer radialen Strecke als beim Füllen entlang einer Sehne des runden Arbeitszylinders.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der diese eine mit der Förderrampe thermisch gekoppelte Heizvorrichtung aufweist. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise an der Unterseite der Förderrampe angeordnet, insbesondere befestigt. Besonders bevorzugt ist die Heizvorrichtung über die gesamte Rampenlänge ausgebildet. Die Heizvorrichtung kann zum Temperieren und/oder Trocknen des Prozesspulvers dienen. Hierdurch kann die Fertigungsqualität der additiven Fertigungsvorrichtung weiter verbessert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dosierungsvorrichtung einen Auffangbehälter für das geförderte Prozesspulver. Vorzugsweise ist der Auffangbehälter als eine an einer von dem Pulverschacht abgewandten Seite der Förderrampe angeordnete Wägezelle ausgebildet. Die Wägezelle ist typischerweise zum Wiegen des durch die Förderrampe beförderten Prozesspulvers ausgebildet. Hierdurch kann eine bereits geförderte Menge des Prozesspulvers und/oder eine noch benötigte Menge des Prozesspulvers bestimmt werden.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der diese einen Vakuumförderer zur Befüllung des Pulverschachts über die Pulvereintrittsöffnung umfasst. Der Vakuumförderer ist typischerweise zum Ansaugen von Prozesspulver aus einem Vorratsbehälter ausgebildet. Zudem kann die Dosierungsvorrichtung eine zwischen dem Vakuumförderer und dem Pulverschacht angeordnete Pulverschleuse umfassen. Die Pulverschleuse kann beispielsweise durch zwei voneinander beabstandete Scheibenventile ausgebildet sein. Die Scheibenventile sind typischerweise lediglich einzeln und abwechselnd öffenbar. Die Pulverschleuse kann zum Intertisieren des Prozesspulvers ausgebildet sein. Insbesondere kann das Prozesspulver innerhalb der Pulverschleuse auf die in der Prozesskammer vorherrschenden Prozessbedingungen angepasst werden.
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Bevorzugt ist zudem eine Ausführungsform der Dosierungsvorrichtung, bei der der Pulverschacht zumindest eine weitere Pulvereintrittsöffnung aufweist. Vorzugsweise weist ein zum Befüllen des Pulverschachts ausgebildeter Vakuumförderer eine entsprechende Förderverzweigung auf, um den Pulverschacht über beide Pulvereintrittsöffnungen gleichzeitig befüllen zu können. Hierdurch kann eine bessere Gleichverteilung des Prozesspulvers innerhalb des Pulverschachts bewirkt werden.
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Die zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine additive Fertigungsvorrichtung. Die additive Fertigungsvorrichtung umfasst zumindest eine Prozesskammer sowie eine hier und im Folgenden beschriebene Dosierungsvorrichtung. Die additive Fertigungsvorrichtung ist vorzugsweise zum Durchführen eines pulverbettbasierten Laserschmelzverfahrens (Laser Metal Fusion, LMF) zum Herstellen eines Werkstückes ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der additiven Fertigungsvorrichtung weist ein der Prozesskammer zugewandtes Ende der Förderrampe den gleichen Durchmesser oder einen geringfügig größeren Durchmesser als ein in der Prozesskammer angeordneter Arbeitszylinder zum Herstellen des Werkstücks auf. Mit anderen Worten weist die Förderrampe an dem der Prozesskammer zugewandten Seite die gleiche oder eine geringfügig größere Breite wie der in der Prozesskammer angeordnete Arbeitszylinder der additiven Fertigungsvorrichtung auf. Hierdurch kann das dosierte Verteilen des Prozesspulvers in dem Arbeitszylinder besonders schnell und genau erfolgen.
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Ferner wird die zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Dosierungsverfahren. Das Dosierungsverfahren sieht das Befördern eines Prozesspulvers in eine hier und im Folgenden beschriebene additive Fertigungsvorrichtung vor. Das Dosierungsverfahren sieht zudem die Beförderung des Prozesspulvers mittels einer hier und im Folgenden beschriebenen Dosierungsvorrichtung vor.
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Das Dosierungsverfahren weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird das Prozesspulver in dem Pulverschacht bereitgestellt. Vorzugsweise erfolgt die Bereitstellung durch den vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Vakuumförderer.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird das Prozesspulver mittels der Förderrampe befördert. Typischerweise wird das Prozesspulver in die Prozesskammer der additiven Fertigungsvorrichtung befördert.
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Zur Beförderung des Prozesspulvers wird die Förderrampe durch den vorhergehend und im Folgenden beschriebenen Aktuator mit einer Schwingungsfrequenz größer 1 kHz angeregt. Vorzugsweise wird die Förderrampe durch eine Ultraschallschwingung, insbesondere zwischen 30 und 38 kHz angeregt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Dosierungsverfahrens wird die Förderrampe durch den Aktuator gepulst angeregt. Die diskontinuierliche Anregung weist vorzugsweise die Anregungsdauer zwischen 1 bis 10 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 1 bis 3 Sekunden, auf.
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Weiter bevorzugt ist eine Ausführungsform des Dosierungsverfahrens, bei der das Prozesspulver durch die Förderrampe schwallartig befördert wird. Die Pulverschwalle sind typischerweise durch Abstände in der Förderrichtung der Förderrampe voneinander getrennt. Insbesondere kann die Förderrampe auf der Förderrampe beförderte Schwalle für Folgeprozesse der additiven Fertigungsvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Förderrampe bereits Prozesspulver befördert, das erst in späteren Prozessschritten bei der Fertigung eines Werkstücks, insbesondere bei der Fertigung eines nachfolgenden Werkstücks, benötigt wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
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- 1 zeigt eine schematisch dargestellte additive Fertigungsvorrichtung mit einer Dosierungsvorrichtung in einer Seitenansicht;
- 2 zeigt die Dosierungsvorrichtung aus 1 in einer Detailansicht;
- 3 zeigt die Dosierungsvorrichtung aus den 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht;
- 4 zeigt ein schematisch dargestelltes Dosierungsverfahren.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße additive Fertigungsvorrichtung 10 mit einer Dosierungsvorrichtung 12 und einer Prozesskammer 14.
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In der Prozesskammer 14 kann ein Arbeitszylinder 16 angeordnet sein, in dem ein nicht näher dargestelltes Werkstück gemäß einem additiven Fertigungsverfahren, beispielsweise einem Pulverbettbasierten-Laserschmelz-Verfahren (Laser-Metal-Fusion; LMF) hergestellt werden kann. Gemäß dem beispielhaften Fertigungsverfahren kann nicht näher dargestelltes Prozesspulver der Prozesskammer 14, bzw. dem Arbeitszylinder 16 zugeführt werden, wobei durch Aufschmelzen des Prozesspulvers ein Werkstück schichtweise hergestellt werden kann. Die additive Fertigungsvorrichtung 10 kann hierfür eine Laserstrahleinheit 18 aufweisen, die - wie dargestellt - an einer Außenseite der Prozesskammer 14 angeordnet sein kann.
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Während des Herstellens des Werkstücks kann der Arbeitszylinder 16 ausgehend von einer Arbeitsebene 20 stufenweise gesenkt werden. Mit jedem Absenken des Arbeitszylinders 16 entsteht oberhalb des Arbeitszylinders 16 eine Arbeitsmulde 22 relativ zu der Arbeitsebene 20, die durch einen Pulverbeschichter 24 mit Prozesspulver aufgefüllt werden kann. Der Pulverbeschichter 24 kann hierzu entlang der Arbeitsebene 20 translatorisch über dem Arbeitszylinder 16 bewegt werden. Der mit dem Prozesspulver befüllte Arbeitszylinder 16 kann anschließend durch die Laserstrahleinheit 18 bestrahlt werden, wodurch das Prozesspulver gemäß dem herzustellenden Werkstück aufgeschmolzen werden kann. Nach abgeschlossener Bestrahlung durch die Laserstrahleinheit 18 kann der Arbeitszylinder 16 erneut abgesenkt und das Verfahren wiederholt werden, bis das Werkstück vollständig hergestellt ist.
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Die Dosierungsvorrichtung 12 ist zum Befördern von nicht näher dargestelltem Prozesspulver in die Prozesskammer 14 der additiven Fertigungsvorrichtung 10 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Dosierungsvorrichtung 12 zum unmittelbaren oder mittelbaren Befüllen des Pulverbeschichters 24 ausgebildet.
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Die Dosierungsvorrichtung 12 weist einen Pulverschacht 26, eine Förderrampe 28 und einen Aktuator 30 auf.
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Der Pulverschacht 26 ist zur Bevorratung und zur Verteilung des Prozesspulvers ausgebildet. Das Prozesspulver kann über eine Pulvereintrittsöffnung 32 in den Pulverschacht 26 eingefüllt werden. Wie dargestellt, kann das Befüllen des Pulverschachts 26 durch einen Vakuumförderer 34 erfolgen. Der Vakuumförderer 34 ist vorzugsweise mittels einer Pulverschleuse 36 an dem Pulverschacht 26 angeordnet, insbesondere gasdicht befestigt. Die Pulverschleuse 36 kann dem Inertisieren des Prozesspulvers dienen. Vorzugsweise werden in der Pulverschleuse 36 die Prozessbedingungen eines Innenraums 38 der Prozesskammer 14 erzeugt. Die Pulverschleuse 36 kann hierfür zwei Scheibenventile 40 aufweisen, die, insbesondere abwechselnd, öffenbar ausgebildet sind.
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Der Pulverschacht 26 weist zudem eine Pulveraustrittsöffnung 42 auf. Das Prozesspulver wird innerhalb des Pulverschachts 26 überwiegend lotrecht von der Pulvereintrittsöffnung 32 zu der Pulveraustrittsöffnung 40 befördert. Mit anderen Worten wird das Prozesspulver unter Schwerkrafteinwirkung in Richtung der Pulveraustrittsöffnung 40 bewegt.
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Die Förderrampe 28 kann - wie dargestellt - unterhalb der Pulveraustrittsöffnung 42 des Pulverschachts 26 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Pulverschacht 26 in die Förderrampe 28 münden. Die Förderrampe 28 weist ein Rampengefälle 44 zur Horizontalen auf, das von der Pulveraustrittsöffnung 42 wegführt. Mit anderen Worten senkt sich die Förderrampe 28, insbesondere stetig, vorzugsweise mit konstantem Gefälle, mit zunehmendem Abstand von dem Pulverschacht 26.
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Typischerweise ist die Dosierungsvorrichtung 12 zumindest teilweise im Innenraum 38 der Prozesskammer 14 angeordnet. Darstellungsgemäß ist die Förderrampe 28 vollständig und der Pulverschacht 26 teilweise im Innenraum 26 der Prozesskammer 14 angeordnet. Der Pulverschacht 26 ist vorzugsweise gasdicht an der Prozesskammer 38 angeordnet, insbesondere befestigt.
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Der Aktuator 30, beispielsweise in Form eines sogenannten Shakers, kann unterhalb der Förderrampe 28 angeordnet sein. Der Aktuator 30 ist mechanisch mit der Förderrampe 28 gekoppelt. Vorzugsweise ist der Aktuator 30 an der Förderrampe 28 befestigt. Der Aktuator 30 ist zum Anregen der Förderrampe 28 mit einer Schwingungsfrequenz größer 1 kHz ausgebildet. Mit anderen Worten kann der Aktuator 30 die Förderrampe 28 in Schwingung versetzen.
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Vorzugsweise ist die Förderrampe 28 mechanisch entkoppelt an dem Pulverschacht 26 angeordnet. Hierdurch kann eine Anregung des Pulverschachts 26 durch den Aktuator 30 vermieden werden.
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Im Betrieb der Dosierungsvorrichtung 12 kann zunächst Prozesspulver durch den Vakuumförderer 34 in den Pulverschacht 26 befördert werden. Das lose angeordnete Prozesspulver kann innerhalb des Pulverschachts 26 als Pulversäule bevorratet sein, die sich an der Pulveraustrittsöffnung 42 des Pulverschachts 26 auf der Förderrampe 28 abstützt. Das Rampengefälle 44 der Förderrampe 28 reicht dabei nicht aus, um das Prozesspulver unter Schwerkrafteinwirkung entlang der Förderrampe 28 zu bewegen. Mit anderen Worten verharrt das Prozesspulver im schwingungslosen Zustand der Förderrampe 28 in seiner Position im Förderschacht 26. Wird Prozesspulver zum Herstellen eines Werkstücks angefordert, kann der Aktuator 30 beispielsweise elektrisch angesteuert werden. Der Aktuator 30 kann eine mechanische Schwingung ausbilden, die über die mechanische Kopplung auf die Förderrampe 28 übertragen werden kann. In der Folge kann die Förderrampe 28 in Schwingung versetzt werden, wobei ihre Schwingungsfrequenz größer als 1 kHz ist.
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Die Schwingung der Förderrampe 28 und/oder des Aktuators 30 erfolgt/erfolgen vorzugsweise in einer vertikalen Ebene.
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Die in Schwingung versetzte Förderrampe 28 wird relativ zum Prozesspulver bewegt und bewirkt ein getaktetes Abtrennen des in Kontakt mit der Förderrampe 28 befindlichen Prozesspulvers der Pulversäule. Das abgetrennte Prozesspulver wird anschließend durch die Schwingung in einer Förderrichtung 45 der Förderrampe 28, bzw. in Richtung des Gefälles 44 entlang der Förderrampe 28 befördert. An einer von dem Pulverschacht 26 abgewandten Seite der Förderrampe 28 ist vorzugsweise ein Auffangbehälter 46, insbesondere eine Wägezelle 48, zum Auffangen des von der Förderrampe 28 rieselnden Prozesspulvers angeordnet. Weiter vorzugsweise ist der Auffangbehälter 46, bzw. die Wägezelle 48 als Teil des Pulverbeschichters 24 und/oder zum Befüllen des Pulverbeschichters 24 ausgebildet.
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2 zeigt eine Teilansicht der Dosierungsvorrichtung 12 aus 1 mit dem Pulverschacht 26, der Förderrampe 28 und dem Aktuator 30.
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Wie dargestellt, kann die Austrittsöffnung 42 des Pulverschachts 26 in die Förderrampe 28 münden. Die Förderrampe 28 ist vorzugsweise in einem Abstand unterhalb des Förderschachts 26 angeordnet, durch den ein Pulverengpass 50 zwischen der Förderrampe 28 und dem Pulverschacht 26 ausgebildet wird. Der Pulverengpass 50 kann in dem Förderschacht 26 bevorratetes Prozesspulver an einer Bewegung in Förderrichtung 45, bzw. in Richtung des Gefälles 44 der Förderrampe 28 hemmen.
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Zudem kann die Dosierungsvorrichtung 12 eine Dosierblende 52 aufweisen. Die Dosierblende 52 kann zum weiteren Verengen des Pulverengpasses 50 ausgebildet sein. Vorzugsweise kann die Dosierblende 52 zu diesem Zweck entlang dem Pulverschacht 26 lotrecht auf die Förderrampe 28 zu bewegt werden.
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Mittels einer Dosierblende 52 kann die Dosierungsvorrichtung 12 besonders einfach und schnell an eine Partikelgröße des zu verwendenden Prozesspulvers angepasst werden.
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3 zeigt schematisch dargestellt die Dosierungsvorrichtung 12 aus 2 mit dem Pulverschacht 26, der Förderrampe 28 und dem Aktuator 30 in einer perspektivischen Detailansicht.
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Der Pulverschacht 26 kann ein Dichtmittel 54, zur gasdichten Anordnung des Pulverschachts 26 an der Prozesskammer 14 (siehe 1) aufweisen.
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Der Pulverschacht 26 kann - wie dargestellt - quaderförmig, insbesondere mit einer konstanten Schachtbreite 56, ausgebildet sein. Innerhalb des Pulverschachts 26 kann ein Prozesspulver ausgehend von der Eintrittsöffnung 32 über die Schachtbreite 56 gleichmäßig verteilt werden. Während des Betriebs der Dosierungsvorrichtung 12 kann sodann über die Schachtbreite 56 ein gleichmäßiges Abtragen der Pulversäule erfolgen. Mit anderen Worten kann die abgetragene Pulvermenge pro Streckeneinheit vorbestimmt werden.
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Der Pulverschacht 26 weist darstellungsgemäß zwei Eintrittsöffnungen 32 auf. Mittels mehrere Eintrittsöffnungen 32 kann die gleichmäßige Verteilung des Prozesspulvers innerhalb des Pulverschachts 26 weiter begünstigt werden.
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Vorzugsweise ist die Schachtbreite 56 zumindest annähernd gleich einer Rampenbreite 58 der Förderrampe 28 an einer dem Pulverschacht 26 zugewandten Seite der Förderrampe 28. Weiter vorzugsweise ist die Rampenbreite 58 kontant. Besonders bevorzugt ist die Rampenbreite 58 an einen Durchmesser des Arbeitszylinders 16 (siehe 1) angepasst.
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Die Förderrampe 28 weist typischerweise einen Rampenboden 60 auf. Der Rampenboden 60 kann an drei Seiten eine Rampenwandung 62 aufweisen, die ein seitliches Abrieseln des Prozesspulvers verhindert. Darüber hinaus kann die Förderrampe 28 eine Rampenabdeckung 64 aufweisen, die einen Fremdkörpereintrag auf die Förderrampe 28 verhindert. Die Rampenabdeckung 64 kann die Förderrampe 28 größtenteils verdecken, wobei der Pulverschacht 26 die Rampenabdeckung 64 durchdringt. Darstellungsgemäß mündet der Pulverschacht 26 in der Förderrampe 28 und ist zumindest abschnittsweise durch die Rampenwandung 62 gefasst.
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4 zeigt schematisch dargestellt, ein erfindungsgemäßes Dosierungsverfahren 66.
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Das Dosierungsverfahren 66 ist zum Befördern eines Prozesspulvers in eine additive Fertigungsvorrichtung 10 (siehe 1), mittels einer Dosierungsvorrichtung 12 (siehe 1-3) ausgebildet.
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In einem Verfahrensschritt 68 wird Prozesspulver in dem Pulverschacht 26 bereitgestellt. Vorzugsweise wird der Pulverschacht 26 durch einen Vakuumförderer 34 (siehe 1) über eine Eintrittsöffnung 32 (siehe 1-3) des Pulverschachts 26 befüllt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt 70 wird das Prozesspulvers mittels der Förderrampe 28 befördert. Vorzugsweise wird das Prozesspulver bis zu einem Arbeitszylinder 16 (siehe 1) der additiven Fertigungsvorrichtung 10, insbesondere unmittelbar vor den Pulverbeschichter 26, oder einem zur Befüllung der Arbeitsmulde 22 eingerichteten Pulverbeschichter 26 befördert.
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Das Befördern des Prozesspulvers erfolgt durch Anregen der Förderrampe 28 durch den Aktuator 30 (siehe 1-3) mit einer Schwingungsfrequenz größer 1 kHz.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Additive Fertigungsvorrichtung
- 12
- Dosierungsvorrichtung
- 14
- Prozesskammer
- 16
- Arbeitszylinder
- 18
- Laserstrahleinheit
- 20
- Arbeitsebene
- 22
- Arbeitsmulde
- 24
- Pulverbeschichter
- 26
- Pulverschacht
- 28
- Förderrampe
- 30
- Aktuator
- 32
- Pulvereintrittsöffnung
- 34
- Vakuumförderer
- 36
- Pulverschleuse
- 38
- Innenraum
- 40
- Scheibenventil
- 42
- Pulveraustrittsöffnung
- 44
- Rampengefälle
- 45
- Förderrichtung
- 46
- Auffangbehälter
- 48
- Wägezelle
- 50
- Pulverengpass
- 52
- Dosierblende
- 54
- Dichtmittel
- 56
- Schachtbreite
- 58
- Rampenbreite
- 60
- Rampenboden
- 62
- Rampenwandung
- 64
- Rampenabdeckung
- 66
- Dosierungsverfahren
- 68
- Verfahrensschritt
- 70
- Verfahrensschritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012014839 A1 [0005]
- WO 2015187422 A1 [0006]
- US 11345083 B2 [0007]
