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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung von Refinerscheiben, die in einem Refiner vom Scheibentyp verwendet werden und insbesondere die durch einen Prozess hergestellt werden, der die Verwendung eines 3D-Durckers einschließt.
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Hintergrund
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Lignocellulosematerial, z.B. Holzschnitzel, Sägespäne und andere faseriges Material aus Holz oder Pflanzen, wird durch mechanische Refiner gemahlen, die Fasern von dem Fasernetzwerk trennen, die das Lignocellulosematerial bilden. Ein typischer Refiner zur Verarbeitung faserigen Materials ist ein Refiner vom Scheibentyp, wobei zwei Refinerplatten - die auch als Refinerscheiben bezeichnet werden - einander gegenüberliegend positioniert werden und wobei wenigstens eine Refinerplatte oder Refinerscheibe bezüglich der anderen Refinerplatte rotiert. Eine rotierende Refinerplatte oder Refinerscheibe kann als ein Rotor bezeichnet werden während die stationäre Refinerplatte oder Refinerscheibe als ein Stator bezeichnet werden kann. Die Rotorplatte und die Statorplatte umfassen Refinerscheibensegmente, die direkt an dem Rotor bzw. dem Stator angebracht werden können oder durch spezielle Segmenthalterungen angebracht werden können.
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Das Lignocellulosematerial, das gemahlen werden soll, wird in einen zentralen Einlass in wenigstens einer der zwei Refinerplatten gespeist, und bewegt sich davon in eine Refinerlücke, die zwischen den zwei Refinerplatten angeordnet ist. Da wenigstens eine der Refinerplatten rotiert, bewegen Zentrifugalkräfte, die durch die relative Rotation zwischen den zwei Refinerplatten erzeugt werden, das Lignocellulosematerial nach außen und in Richtung des Umfangs der Refinerplatten. Die gegenüberliegenden Refinerplatten umfassen Refinerplattensegmente, die Oberflächen haben, die Stege oder Rillen aufweisen; und das Lignocellulosematerial wird - in der Refinerlücke, die zwischen sich kreuzenden Stegen der gegenüberliegenden Refinerplattensegmente bereitgestellt ist - durch Kräfte in Fasern getrennt, die durch die sich kreuzenden Stege erzeugt werden wenn die Refinerplatten bezüglich zueinander rotieren. Die Stege und Nuten eines Refinerplattensegments können in mehr oder wenigster komplexen und ausgeklügelten Strukturen angeordnet sein und solche Segmentmuster bzw. Segmentstrukturen können weiterhin Dämme und Öffnungen umfassen, die angeordnet sind, um Lignocellulosematerial und/oder Dampf auf gewünschten Pfaden und Ruten zu leiten.
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Über die Jahre wurde eine große Vielfalt an Refinersegmentstrukturen entwickelt, wobei eine spezifische Struktur entworfen sein kann, um zum Beispiel den Energieverbrauch eines Refiners zu reduzieren, die Abnutzung des Refinerplattensegments zu reduzieren und/oder die Qualität der gemahlenen Fasern zu erhöhen. Spezifische Segmentstrukturen wurden ebenfalls entwickelt, um zu spezifischen, mehr oder weniger lokalen Rohmaterialien zu passen.
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Die Herstellung eines Refinersegments, das eine neue Segmentstruktur umfasst, umschließt unterschiedliche Prozesse und Maschinen, und umfasst typischerweise die folgenden Schritte. Zunächst wird mit einem CAD(Computer-Aided Design)-Packet ein 3D-Modell des Refinersegments erzeugt. (Das 3D Modell ist tatsächlich eine mathematische Repräsentation der dreidimensionalen Oberfläche des betreffenden Refinersegments und wird typischerweise in einer so genannten STL(STeroLithography)-Datei gespeichert). Das durch das CAD-Programm erzeugte 3D-Modell dient dann als Eingabe für ein CAM (Computer-Aided Machine)-Packet, das einen CNC(Computer Numerical Code)-Code erzeugt, der verwendet wird, um eine NC-gesteuerte Cutter- oder Fräsmaschine, die mit einem Metallwerkstück beginnend ein Muster bzw. Modell des Refinersegments fräst oder, in der Praxis, es werden eine Vorderseite und eine Rückseite des Refinersegments erzeugt. Diese Refinersegmentmodellhälften werden dann verwendet, um eine Form zu produzieren, in der die Refinersegmente gegossen werden und schließlich wird eine Anzahl (z.B. 18 oder 20) Refinersegmente zu einer Refinerscheibe zusammengebaut.
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Wie aus der obigen Beschreibung erkennbar ist, ist der Prozess zur Herstellung eines Refinersegments relativ komplex und zeitaufwändig und Refinersegmente, die durch solche Prozesse produziert wurden, sind folglich relativ teuer, was sich negativ auf die Gesamtbetriebsökonomie einer Zellstofffabrik auswirkt, da die Refinersegmente während des Betriebs fortwährend abgenutzt werden und ersetzt werden müssen. Ein weiteres Problem, das den oben beschriebenen Herstellungsprozess begleitet, ist, dass die Cutter- oder Fräsmaschine aufgrund ihrer mechanischen Verarbeitung mit relativ groben Fräswerkzeugen dem Typ der Refinersegmentstruktur, die erzeugt werden kann, Grenzen setzt. Anders ausgedrückt können Segmentstrukturen, von denen man annimmt, dass sie effektiver qualitativ hochwertige Fasern erzeugen, nicht immer produziert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Refinersegment oder ein Refinersegmentmodell bereitzustellen, das mit verbesserten und/oder effizienteren Herstellungsprozessen produziert wurde. Eine weitere Aufgabe ist es ein Refinersegment oder ein Refinersegmentmodell bereitzustellen, welches Strukturen umfasst, die nur durch einen verbesserten Herstellungsprozess erreicht werden können oder Strukturen umfasst, die durch einen verbesserten Herstellungsprozess effektiver erreicht werden können.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die obigen Aufgaben werden mit einem Refinersegment oder einem Refinersegmentmodell gemäß den unabhängigen Ansprüchen erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen werden durch die abhängigen Ansprüche bereitgestellt. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf ein Scheibentyp-Refinersegment, das durch ein Verfahren hergestellt wird. Jedoch sollte verstanden werden, dass die vorliegende Offenbarung auch das entsprechende Verfahren zur Herstellung des Scheibentyp-Refinersegments umfasst.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Scheibentyp-Refinersegment zum Mahlen von Lignocellulosematerial bereitgestellt, welches herstellbar ist durch ein Verfahren, umfassend Bereitstellen von Produktionsdaten des Scheibentyp-Refinersegments; Einspeisen der Produktionsdaten in einen 3D-Drucker; 3D-Drucken eines Musters des Scheibentyp-Refinersegments; Verwenden des Musters des Scheibentyp-Refinersegments, um eine Form des Scheibentyp-Refinersegments zu erzeugen; und Formen oder Gießen des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der Form.
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Allgemein können die Produktionsdaten bei der vorliegenden Erfindung in jedem geeigneten Datentyp bereitgestellt werden. Für gewöhnlich können 3D-druckbare Modelle mit einem Computer-Aided Design (CAD)-Packet, über einen 3D-Scanner oder durch eine einfache Digitalkamera und Photogrammetrie-Software erzeugt werden. 3D-gedruckte Modelle, die mit CAD erzeugt wurden, resultieren in reduzierten Fehlern und können vor dem Drucken korrigiert werden, was die Verifikation des Designs des Objekts vor dem Drucken ermöglicht. Dementsprechend werden CAD-Daten in der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
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Im Allgemeinen kann in der vorliegenden Erfindung der Druckschritt durch jeden geeigneten 3D-Druckertypen durchgeführt werden. Bevorzugte Druckmaterialien sind ausgewählt von Metallen oder Metalllegierungen, Kunststoffen, Polymeren, Wachs und Gips bzw. Putz (plaster, plaster of paris). Die vorliegende Erfindung sollte nicht auf ein spezifisches Druckmaterial eingeschränkt werden.
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Im Allgemeinen kann der Schritt des Erzeugens einer Form in der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, wie es hinlänglich in der Technik bekannt ist. Zum Beispiel kann das Refinersegmentmuster in Giesssand oder ähnlichem Material eingebettet werden, das in der Lage ist die Struktur der Oberfläche des Musters zu erfassen und beizubehalten. Zum Beispiel kann die erzeugte Form zwei oder mehr separate Formenteile umfassen, um das Entfernen des Refinersegmentmusters zu ermöglichen. Der Schritt des Gießens oder Formens wird durch irgendein geeignetes Gießverfahren durchgeführt. Bevorzugte Gieß- oder Formungsmaterialien sind Metalle und Metalllegierungen oder Mineralgläser mit hoher Härte, um die Abnutzung des resultierenden Refinerscheiben zu minimieren.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Scheibentyp-Refinersegment wenigstens ein erstes Teil und ein zweites Teil, wobei die Muster des ersten Teils und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments getrennt gebildet werden. Nach dem Schritt des Gießens oder Formens und wohlmöglich nach einem abschließenden Endbearbeitungsschritt werden die wenigstens zwei Teile kombiniert, um das abschließende Scheibentyp-Refinersegment zu bilden. Bevorzugte Kombinationsverfahren umfassen Kleben, Schweißen und Formschluss unter Verwendung geeigneter Formschlussstrukturen der Scheibentyp-Refinersegmentteile.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Bereitstellens von Produktionsdaten des Scheibentyp-Refinersegments ein Bereitstellen von Produktionsdaten des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Einspeisens der Produktionsdaten in einen 3D-Drucker ein Einspeisen von Produktionsdaten des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments in den 3D-Drucker.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des 3D-Druckens eines Musters des Scheibentyp-Refinersegments ein 3D-Drucken eines Musters des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Verwendens des Musters des Scheibentyp-Refinersegments, um eine Form des Scheibentyp-Refinersegments zu erzeugen ein Verwenden des Musters des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments, um eine erste Form und eine zweite Form des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments zu erzeugen.
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In einer Modifikation der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Formens oder Gießens des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der Form ein Formen oder Gießen des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der ersten und der zweiten Form.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Scheibentyp-Refinersegment zum Mahlen von Lignocellulosematerial bereitgestellt, welches herstellbar ist durch ein Verfahren, umfassend Bereitstellen von Produktionsdaten des Scheibentyp-Refinersegments; Einspeisen der Produktionsdaten in einen 3D-Drucker; und 3D-Drucken des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Scheibentyp-Refinersegment wenigstens ein erstes Teil und ein zweites Teil.
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In einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Bereitstellens von Produktionsdaten des Scheibentyp-Refinersegments ein Bereitstellen von Produktionsdaten des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Einspeisens der Produktionsdaten in einen 3D-Drucker ein Einspeisen von Produktionsdaten des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments in den 3D-Drucker.
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In einer Modifikation der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des 3D-Druckens des Scheibentyp-Refinersegments ein 3D-Drucken des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Scheibentyp-Refinersegment zum Mahlen von Lignocellulosematerial bereitgestellt, welches herstellbar ist durch ein Verfahren, umfassend Bereitstellen von Produktionsdaten einer Form des Scheibentyp-Refinersegments; Einspeisen der Produktionsdaten in einen 3D-Drucker; 3D-Drucken der Form des Scheibentyp-Refinersegments; und Formen oder Gießen des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der Form.
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In einer Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Scheibentyp-Refinersegment wenigstens ein erstes Teil und ein zweites Teil.
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In einer Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Bereitstellens von Produktionsdaten der Form des Scheibentyp-Refinersegments ein Bereitstellen von Produktionsdaten einer ersten Form und einer zweiten Form des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des 3D-Druckens der Form des Scheibentyp-Refinersegments ein 3D-Drucken der ersten Form und der zweiten Form des Scheibentyp-Refinersegments.
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In einer Modifikation der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Formens oder Gießens des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der Form ein Formen oder Gießen des ersten und des zweiten Teils des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung der ersten und der zweiten Form.
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In einer Modifikation der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des Formens oder Gießens ein Sandgießen, Plaster- bzw. Putzformgießen, Guss in verlorener Form, Feingießen, Wachsausschmelzverfahren, Evaporativmusterguss, Lost-Foam-Guss bzw. Gießen mit verlorenem Schaum, Vollformguss, Spritz- bzw. Druckguss, Guss in Dauerform und Thixoforming bzw. Semi-Solid Metal Casting.
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Die Grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens zur Produktion des Scheibentyp-Refinersegments. Dies kann erreicht werden entweder durch Produzieren des Scheibentyp-Refinersegments direkt in dem 3D-Drucker, durch produzieren einer Form des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung des 3D-Druckers, wobei in dieser Form das abschließende Scheibentyp-Refinersegment in einem zweiten Schritt gegossen wird oder durch Produzieren eines Musters des Scheibentyp-Refinersegments unter Verwendung des 3D-Druckers, wobei aus diesem Muster eine Negativform gebildet wird, wobei in dieser Form die abschließenden Scheibentyp-Refinersegmente in einem zusätzlichen Produktionsschritt gegossen werden.
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Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Vielfalt an Formen und Anordnungen von Oberflächenstrukturen, die in den erfindungsgemäßen Scheibentyp-Refinersegmenten umgesetzt werden können. Die herkömmliche Produktion von Segmenten, Formen und Segmentmustern durch Fräswerkzeuge ist kostspielig und begrenzt durch Verlaufspfade, die das Fräswerkzeug zurücklegen muss, um Hohlräume und Passagen in dem Scheibentyp-Refinersegment zu bilden. 3D-Drucker weisen keine solchen Begrenzungen auf, so dass neue Strukturen bei mäßigem Kostenaufwand implementiert und getestet werden können.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung eines 3D-Druckers, um ein Modell eines Refinersegments zu produzieren. In einer Ausführungsform wird ein Refinersegmentmodell verwendet, um eine Form zu produzieren, in der ein Refinersegment geformt oder gegossen wird. Insbesondere, gemäß der Erfindung, kann ein Refinersegment durch folgende Herstellungsschritte produziert werden.
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In einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein 3D-Modell einer erste Seite, z.B. einer Vorderseite, eines Refinersegments mit einem CAD-Programmpacket produziert, wobei das 3D-Refinersegmentmodell, das durch das CAD-Programm erzeugt wird, eine mathematische Repräsentation ist, die in einer ersten Datendatei mit geeigneten Dateiformat, z.B. einer STL-Datei, gespeichert wird. Dann wird ein 3D-Modell einer zweiten Seite, z.B. einer Rückseite, des Refinersegments mit einem CAD-Programmpacket produziert, wobei das 3D-Refinersegmentmodell, das durch das CAD-Programm erzeugt wird, eine mathematische Repräsentation ist, die in einer zweiten Datendatei mit geeigneten Dateiformat, z.B. einer STL-Datei, gespeichert wird. Geeignete CAD-Programmpackete sind, beispielsweise, Pro/Engineer und SolidWorks. Optional aber bevorzugt werden die Daten der ersten und der zweiten Datendatei mit einem geeigneten Softwareprogrammpacket nach Fehlern und Mängeln überprüft, z.B. ein Programmpacket, dass durch die Firma EOS e-manufacturing solutions bereitgestellt wird. Neben dem Korrigieren von Fehlern in den Datendateien ist es wichtig, dass alle geometrischen Strukturen in den Refinersegmentmodellen in nachfolgenden Herstellungsschritten reproduzierbar sind und für solche Herstellungsschritte geeignet sind, wie im Folgenden weiter diskutiert werden wird. Abhängig von den geometrischen Strukturen, die in die Refinersegmente eingearbeitet sind und von dem spezifischen 3D-Drucker und der gewählten 3D-Druckersoftware, werden die Daten, die in den Datendateien enthalten sind, mathematisch in Schichten geschnitten, die eine virtuelle Dicke von z.B. 0,01 mm aufweisen. Die mathematisch aufgeschnittenen Datendateien werden dann in ein geeignetes 3D-Druckerpacket eingegeben und eine erste Seite, z.B. eine Vorderseite, eines Refinersegments wird unter Verwendung eines 3D-Druckers gedruckt. Es können unterschiedliche 3D-Drucktechniken angewendet werden aber eine bevorzugte Technik ist das so genannte Direktmetalllasersintern (DMLS), das einen Ytterbium(Yb)-Faserlaser in ein Bett von Metallpulver schickt. Auf ähnliche Art kann eine zweite Seite, z.B. eine Unterseite, des Refinersegments durch eine 3D-Drucktechnik hergestellt werden. Die erste Seite und die zweite Seite des Refinersegmentmodells werden dann verwendet, um zwei Formhälften zu erzeugen, die zusammengesetzt werden, um eine Form zu bilden. Die Form wird typischerweise in Sand hergestellt, wie es in der Technik wohlbekannt ist. Auf herkömmliche Art und Weise wird dann ein Refinersegment in der Form geformt oder gegossen. Da in der Praxis einige, z.B. 10 - 20, Segmente für jede Refinerscheibe benötigt werden und eine Zellstofffabrik einige Refinerscheiben pro Jahr verbraucht, werden aus den zwei 3D-gedruckten Seiten eines Refinersegmentmodells viele, z.B. einige hundert, von Sandformen produziert.
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Aus obiger Beschreibung geht hervor, dass das 3D-Refinersegmentmodell, wie es in der/den Datendatei/en repräsentiert wird, nicht nur für das 3D-Drucken geeignet sein sollte sondern auch zum Bilden von Formen und Gießen eines Refinersegments in diesen Formen. Daher sollte das 3D-Refinersegmentmodell nicht nur frei von Fehlern sein, sondern alle geometrischen Formen, z.B. Ecken, Ränder und Winkel, müssen reproduzierbar bzw. reproduktionsfähig sein, wenn die (Sand)-Form produziert wird und anschließend, wenn die abschließenden Refinersegmente in diesen Formen gegossen werden. Daher müssen die 3D-Modelle üblicherweise sorgfältig geprüft werden, bevor sie in dem 3D-Drucker benutz werden, um ein dreidimensionales Refinersegmentmodell (Muster) zu produzieren, das auf effektive Art und Weise verwendet werden kann, um eine Form zum Gießen eines Refinersegments zu produzieren.
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In einem Aspekt der Erfindung wird ein Refinersegmentmodell bereitgestellt, das eine Vorderseite und eine Rückseite umfasst, durch die Verwendung eines 3D-Druckers. In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Refinersegment bereitgestellt in einem Herstellungsprozess, der die Verwendung eines 3D-Druckers umfasst.