DE202019102794U1

DE202019102794U1 - Schüttgutventil, Ventilsystem und Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks

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Publication number: DE202019102794U1
Application number: DE202019102794.0U
Authority: DE
Original assignee: SLM Solutions Group AG
Current assignee: Nikon SLM Solutions AG
Priority date: 2019-05-17
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2019-07-16
Anticipated expiration: 2029-05-18

Abstract

Schüttgutventil (100) zur Dosierung eines Schüttguts, wobei das Schüttgutventil (100) umfasst:
einen Stößel (1); und
ein Ventilsitzelement (10),
wobei der Stößel (1) eingerichtet ist, in einer Bewegungsrichtung (13a) bewegt zu werden, wodurch das Schüttgutventil (100) geöffnet wird, sodass das Schüttgut durch eine Öffnung in dem Ventilsitzelement (10) fließen kann,
wobei das Schüttgutventil (100) so ausgelegt ist, dass in geschlossenem Zustand des Schüttgutventils (100) eine Kontaktfläche (1a) des Stößels (1) auf einem Ventilsitz (10a) des Ventilsitzelements (10) aufliegt, und
wobei der Ventilsitz (10a) in Bezug auf die Bewegungsrichtung (13a) schräg verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schüttgutventil, ein Ventilsystem umfassend das Schüttgutventil und eine Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens umfassend das Schüttgutventil oder das Ventilsystem.
Bei generativen Schichtbauverfahren zum Herstellen dreidimensionaler Werkstücke, insbesondere dem sogenannten Pulverbettschmelzen, wird ein Rohstoffpulver schichtweise auf einen Träger aufgetragen und in Abhängigkeit der gewünschten Geometrie des zu erstellenden Werkstücks ortselektiv mit elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise Laserstrahlung, oder mit Teilchenstrahlung beaufschlagt. Die in die Pulverschicht eindringende Strahlung bewirkt eine Erwärmung und folglich eine Verschmelzung oder Versinterung der Rohstoffpulverpartikel. Anschließend werden sukzessiv weitere Rohstoffpulverschichten auf die bereits strahlungsbehandelte Schicht auf dem Träger aufgebracht, bis das Werkstück die gewünschte Form und Größe hat. Das Rohstoffpulver kann Keramik-, Metall- oder Kunststoffmaterialien, aber auch Materialgemische hieraus umfassen. Generative Schichtbauverfahren und insbesondere Pulverbettschmelzverfahren können beispielsweise zur Herstellung von Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen oder medizinischen Prothesen, wie zum Beispiel zahnärztlichen oder orthopädischen Prothesen, sowie zur Reparatur von Bauteilen anhand von CAD-Daten eingesetzt werden.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Werkstücke durch Pulverbettschmelzen findet sich in der EP 3 023 227 B1 . Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer, in der ein Träger und eine Pulveraufbringeinrichtung zum Aufbringen eines Rohmaterialpulvers auf den Träger untergebracht sind. Die Prozesskammer ist mit einem Pulvereinlass zum Zuführen von Rohmaterialpulver zu der Pulveraufbringeinrichtung und einem Pulverauslass zum Abführen von überschüssigem Rohmaterialpulver aus der Prozesskammer versehen. Eine Pulverkreislaufleitung, in der eine Fördereinrichtung zum Fördern des Rohmaterialpulvers durch die Pulverkreislaufleitung angeordnet ist, verbindet den Pulverauslass der Prozesskammer mit dem Pulvereinlass der Prozesskammer.
In der Pulverkreislaufleitung, aber auch in anderen pulverführenden Leitungen einer Vorrichtung zum Herstellen dreidimensionaler Werkstücke durch Pulverbettschmelzen können Schüttgutventile eingesetzt werden, welche nach dem Öffnen Pulver durchströmen lassen und nach dem Schließen einen Pulverstrom blockieren. Solche Ventile weisen üblicherweise mechanische Bauteile auf, die entsprechend bewegt werden. Durch das Pulver kommt es zu einer erhöhten Abnutzung der bewegbaren Bauteile. Insbesondere Pulver aus harten Materialien wie Metall oder Keramik weist abrasive Eigenschaften auf.
Pulver ist eine Form von Schüttgut. Auch in anderen Vorrichtungen ist ein steuerbares Zuführen von Schüttgut nötig. Hierbei kann Schüttgut mit einer durchschnittlichen Korngröße zum Einsatz kommen, die größer ist als die durchschnittliche Korngröße von Pulvern. So kann als Schüttgut beispielsweise Sand oder Kies verwendet werden. Auch in solchen Fällen können Schüttgutventile eingesetzt werden, welche nach dem Öffnen Schüttgut durchströmen lassen und nach dem Schließen einen Schüttgutstrom blockieren, welche also ein steuerbares Freigeben bzw. Zurückhalten des Schüttguts ermöglichen. Auch anderes Schüttgut als Pulver kann abrasive Eigenschaften aufweisen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verschleißunempfindliches Schüttgutventil anzugeben, das zur Dosierung von Schüttgut geeignet ist. Unter Dosierung wird hierbei ein steuerbares Freigeben bzw. Zurückhalten von Schüttgut verstanden. Das Schüttgutventil soll insbesondere zur Verwendung in einer Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens geeignet sein. Ferner ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet, ein mit einem derartigen Schüttgutventil ausgestattetes Ventilsystem sowie eine mit einem derartigen Schüttgutventil oder einem derartigen Ventilsystem ausgestattete Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks bereitzustellen.
Ein Schüttgutventil zur Dosierung von Schüttgut und insbesondere zur Verwendung in einer Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens unter Verwendung eines Pulvers umfasst einen Stößel und ein Ventilsitzelement. Der Stößel ist dazu eingerichtet, in einer Bewegungsrichtung bewegt zu werden, wodurch das Schüttgutventil geöffnet wird, sodass das Schüttgut durch eine Öffnung in dem Ventilsitzelement fließen kann. Im Gegensatz dazu bewirkt eine Bewegung des Stößels in eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung ein Schließen des Schüttgutventils, wodurch ein Zustrom von Schüttgut, wie beispielsweise Pulver, in die in dem Ventilsitzelement ausgebildete Öffnung unterbunden wird. Die in dem Ventilsitzelement vorgesehene Öffnung kann beispielweise kreisförmig sein. Das Schüttgutventil ist so ausgelegt, dass in geschlossenem Zustand des Schüttgutventils eine Kontaktfläche des Stößels auf einem Ventilsitz des Ventilsitzelements aufliegt, wobei der Ventilsitz in Bezug auf die Bewegungsrichtung schräg verläuft.
Der Ventilsitz erstreckt sich vorzugsweise von einer dem Stößel zugewandten Oberfläche des Ventilsitzelements in Richtung des Stößels. Ferner kann sich der Ventilsitz in Bezug auf die Bewegungsrichtung in einem Winkel von etwa 30 bis 60 Grad, insbesondere in einem Winkel von 45 Grad erstrecken. Andere Winkel sind möglich, beispielsweise 30, 35, 40, 50 oder 60 Grad. Der Ventilsitz definiert eine Anlagefläche, an der im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils die Kontaktfläche des Stößels anliegt. Der Ventilsitz bzw. die an dem Ventilsitz ausgebildete Anlagefläche verläuft schräg in Bezug auf die Bewegungsrichtung, was bedeutet, dass die Bewegungsrichtung bezüglich des Ventilsitzes bzw. der an dem Ventilsitz ausgebildeten Anlagefläche nicht orthogonal ist. Der Neigungswinkel des Ventilsitzes bzw. der an dem Ventilsitz ausgebildeten Anlagefläche bezüglich der Bewegungsrichtung kann je nach Position des Ventilsitzes bzw. der Anlagefläche an dem Ventilsitzelement variieren. Beispielsweise ist er im gesamten Bereich des Ventilsitzes im Wesentlichen konstant.
Das Schüttgut ist beispielsweise ein Pulver aus Metall, einer Metalllegierung, Keramik oder Kunststoff. Der Stößel und/oder das Ventilsitzelement kann/können aus einem elastischen Material, aus Metall, einer Metalllegierung oder aus Keramik gefertigt sein. Der Stößel kann sich in der Bewegungsrichtung verjüngen. Beispielsweise ist der Stößel an einem ersten Ende des Stößels, an dem sich die Kontaktfläche des Stößels befindet, in orthogonaler Richtung bezüglich der Bewegungsrichtung breiter als an einem zweiten Ende des Stößels, das von dem ersten Ende aus in Bewegungsrichtung liegt. Beispielsweise weist der Stößel ausgehend von der Kontaktfläche des Stößels in Bewegungsrichtung eine sich verschmälernde Form, beispielsweise eine konische Form auf. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass Schüttgut wie beispielsweise Pulver mit geringem Widerstand über den Stößel entgegen der Bewegungsrichtung strömen kann.
Vorzugsweise ist der Stößel derart relativ zu dem Ventilsitzelement angeordnet, dass im geöffneten Zustand des Schüttgutventils Schüttgut schwerkraftgetrieben durch die in dem Ventilsitzelement ausgebildete Öffnung fließen kann. Im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils, also wenn die Kontaktfläche des Stößels auf dem Ventilsitz aufliegt, kann dagegen kein Schüttgut in die in dem Ventilsitzelement ausgebildete Öffnung gelangen. Die Kontaktfläche des Stößels und der Ventilsitz verschließen in diesem Zustand das Schüttgutventil und verhindern einen Durchtritt des Schüttguts durch das Ventilsitzelement. Da der Ventilsitz schräg verläuft, kann Schüttgut, welches sich im geöffneten Zustand des Schüttgutventils auf dem Ventilsitz befindet, schwerkraftgetrieben durch die in dem Ventilsitzelement ausgebildete Öffnung abfließen. Bei einem anschließenden Schließen des Schüttgutventils befindet sich somit zwischen dem Ventilsitz und der Kontaktfläche des Stößels kein oder nur sehr wenig Schüttgut. Dies kann einem Verschleiß des Schüttgutventils vorbeugen.
Der Stößel ist beispielsweise so ausgebildet, dass die Kontaktfläche zumindest im geöffneten Zustand des Schüttgutventils im Wesentlichen linienförmig ist. Beispielsweise kann der Stößel eine die Kontaktfläche definierende umlaufende Kante aufweisen, welche ausgebildet ist, in der geschlossenen Stellung des Schüttgutventils mit dem Ventilsitz in Kontakt zu treten. Beispielsweise kann die Kontaktfläche im Wesentlichen ringförmig, insbesondere im Wesentlichen kreisringförmig sein.
Der Stößel kann auch so ausgebildet sein, dass die Kontaktfläche zumindest im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils im Wesentlichen flächenförmig ist. Beispielsweise kann der Stößel eine die Kontaktfläche definierende umlaufende Fläche aufweisen, die ausgebildet ist, in der geschlossenen Stellung des Schüttgutventils mit dem Ventilsitz in Kontakt zu treten. Die Kontaktfläche kann im Wesentlichen die Form eines Mantelabschnitts eines Kegelstumpfes oder eines Mantelabschnitts eines Pyramidenstumpfes aufweisen. Der Kegelstumpf kann auf einem Kegel mit runder Grundfläche, elliptischer Grundfläche oder einer Grundfläche mit einer anderen Form beruhen.
Im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils kann die Linienform bzw. die Flächenform der Kontaktfläche erhalten bleiben. Alternativ dazu kann/können sich der Stößel und/oder das Ventilsitzelement im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils aber auch verformen, wodurch im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils der Kontaktbereich zwischen dem Stößel und dem Ventilsitzelement vergrößert wird. Beispielsweise kann die Kontaktfläche des Stößels aus einem elastischen Material gebildet sein. Insbesondere kann die Kontaktfläche des Stößels an einem elastischen O-Ring ausgebildet sein. Die Kontaktfläche kann aber auch an einem den Stößel definierenden elastischen Zylinder ausgebildet sein, dessen Längsachse sich entlang der Bewegungsrichtung erstreckt. Schließlich kann die Kontaktfläche auch an einem den Stößel definierenden elastischen Hohlzylinder ausgebildet sein, dessen Längsachse sich entlang der Bewegungsrichtung erstreckt.
Ein Ventilsystem umfasst zumindest ein oben beschriebenes Schüttgutventil und ein Ventilgehäuse, welches den Stößel und das Ventilsitzelement umschließt und eine Kammer bildet, in welcher der Stößel bewegbar ist. Beispielsweise hat die Kammer im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders. Der Hohlzylinder kann eine runde Grundfläche, eine vieleckige Grundfläche oder eine Grundfläche mit einer anderen Form aufweisen. In einem Beispiel ist die Kammer so dimensioniert, dass zwischen einer Seitenwand der Kammer und dem Stößel Schüttgut, beispielsweise Pulver, entgegen der Bewegungsrichtung fließen kann. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass Schüttgut seitlich an dem Stößel vorbei und durch die Öffnung in dem Ventilsitzelement fließen kann, während der Stößel in die Bewegungsrichtung bewegt wird. Der Stößel ist in diesem Beispiel in einem geöffneten Zustand des Schüttgutventils von zumindest einer, vorzugsweise allen, Seitenwänden des Ventilgehäuses beabstandet. Beispielsweise liegen diese Seitenwände orthogonal zur Bewegungsrichtung.
Auch das Ventilgehäuse kann im Wesentlichen die Form eines Hohlzylinders aufweisen. Der Hohlzylinder kann eine runde Grundfläche, eine vieleckige Grundfläche oder eine Grundfläche mit einer anderen Form aufweisen. Beispielsweise weist der Hohlzylinder als Grundfläche dieselbe geometrische Form auf wie der Hohlzylinder welcher die Kammer bildet, allerdings entsprechend größer dimensioniert. In einem Beispiel umfasst das Ventilsystem ferner eine Welle. Die Welle ist beispielsweise mit dem Stößel verbunden. Vorzugsweise verläuft die Welle entlang der Bewegungsrichtung. Die Welle kann um ihre Längsachse drehbar sein. Vorzugsweise ist die Welle entlang ihrer Längsachse in die Bewegungsrichtung und entgegen der Bewegungsrichtung bewegbar.
Das Ventilsystem kann ferner ein Dichtungssystem umfassen. Beispielsweise verläuft die Welle durch das Dichtungssystem. Das Dichtungssystem ist vorzugsweise ausgestaltet, das Ventilgehäuse abzudichten.
In einem Beispiel umfasst das Dichtungssystem eine Filterdichtung. Die Filterdichtung ist eingerichtet, ein Austreten von Schüttgut, beispielsweise Pulver, aus der Kammer zu verhindern. Die Filterdichtung kann aus einem Gewebe oder einem Filz bestehen. Sie kann auch aus einer Kombination verschiedener Materialien bestehen. Beispielsweise ist die Filterdichtung gasdurchlässig und/oder flüssigkeitsdurchlässig, jedoch nicht durchlässig für das Schüttgut. In einem Beispiel ist die Filterdichtung auf einer der Kammer zugewandten Seite des Dichtungssystems angeordnet. Dadurch, dass ein Austreten von Schüttgutaus der Kammer verhindert wird, kann ein Verschleiß des Ventilsystems verringert werden.
Das Dichtungssystem kann einen Wellendichtring umfassen. Beispielsweise ist der Wellendichtring eingerichtet, ein Austreten von Gas aus der Kammer zu verhindern. Der Wellendichtring kann beispielsweise aus einem elastischen Material bestehen. Der Wellendichtring kann auf einer von der Kammer abgewandten Seite des Dichtungssystems angeordnet sein.
Das Ventilsystem kann ferner eine Antriebseinheit umfassen. Beispielsweise ist die Antriebseinheit mit dem Stößel verbunden und eingerichtet, den Stößel in der Bewegungsrichtung zu bewegen. Ferner kann die Antriebseinheit dazu eingerichtet sein, den Stößel in eine der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die Antriebseinheit kann eingerichtet sein, den Stößel durch eine Bewegung der Welle zu bewegen. Sie kann mit der Welle verbunden bzw. an die Welle gekoppelt sein. Beispielsweise ist die Antriebseinheit außerhalb der Kammer angeordnet. Sie kann so angeordnet sein, dass das Dichtungssystem ein Fließen von Schüttgut und/oder Gas von der Kammer in die Antriebseinheit verhindert. Beispielsweise ist die Antriebseinheit außerhalb des Ventilgehäuses angeordnet.
Beispielsweise ist die Antriebseinheit derart ausgelegt, dass der Stößel zur Öffnung des Schüttgutventils nur bis zu einer maximalen Öffnungsposition bewegt werden kann. Beispielsweise liegt in der maximalen Öffnungsposition zwischen dem Stößel und einer die Kammer begrenzenden Wand, durch welche die Welle verläuft, ein vordefinierter Mindestabstand vor. Der Mindestabstand kann etwa 1/3 einer Höhe der Kammer in der Bewegungsrichtung betragen. Hierdurch soll vermieden werden, dass bei der Öffnung des Schüttgutventils Schüttgut, welches sich auf dem Stößel befindet oder welches der Welle anhaftet, an die die Kammer begrenzenden Wand, durch welche die Welle verläuft, gedrückt wird und somit die Bewegung des Stößels blockieren kann. Die die Kammer begrenzende Wand kann in Form einer Verschlusskappe ausgebildet sein.
Das Ventilsystem kann ferner ein Sensorsystem umfassen. Das Sensorsystem kann mehrere Sensoren umfassen. Beispielsweise ist das Sensorsystem dazu eingerichtet, eine Position des Stößels zu detektieren, zum Beispiel eine Position entlang der Bewegungsrichtung. Das Sensorsystem kann dazu eingerichtet sein, eine Kraft zu messen, die bei einer Bewegung des Stößels auf den Stößel wirkt. In einem Beispiel ist das Sensorsystem dazu eingerichtet, einen Schüttgutstrom zu messen, der in das Ventilgehäuse und/oder in die Kammer fließt, zum Beispiel eine Schüttgutstrommenge pro Zeiteinheit, beispielsweise eine Pulvermenge pro Zeiteinheit. Das Sensorsystem kann dazu eingerichtet sein, eine Schüttgutmenge zu messen, die sich in dem Ventilgehäuse und/oder in der Kammer befindet, beispielsweise eine Füllhöhe der Kammer. Ferner kann das Sensorsystem dazu eingerichtet sein, einen Schüttgutstrom zu messen, der aus der Kammer und/oder dem Ventilgehäuse fließt. Schließlich kann das Sensorsystem dazu eingerichtet sein, eine Kraft zu bestimmen, die entgegen der Bewegungsrichtung auf den Stößel wirkt.
Das Ventilsystem umfasst vorzugsweise ferner eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet, von dem Sensorsystem erfasste Daten zu empfangen und den Betrieb des Ventilsystems in Abhängigkeit der von dem Sensorsystem erfassten Daten zu steuern. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Antriebseinheit derart zu steuern, dass der Stößel zur Öffnung des Schüttgutventils nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse und/oder der Kammer befindet, eine Mindestmenge überschreitet. Ferner kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Antriebseinheit derart zu steuern, dass eine Bewegung des Stößels abgebremst oder abgebrochen wird, wenn ein Schüttgutstrom in das Ventilgehäuse und/oder die Kammer einen vorbestimmten Schüttgutstromschwellwert überschreitet. Schließlich kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, die Antriebseinheit derart zu steuern, dass eine Bewegung des Stößels abgebremst oder abgebrochen wird, wenn eine Kraft, die auf den Stößel wirkt, eine vorbestimmte Maximalkraft überschreitet. Die Steuereinheit kann dazu eingerichtet sein, die Antriebseinheit derart zu steuern, dass der Stößel zur Schließung des Schüttgutventils nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse und/oder der Kammer befindet, eine Maximalmenge unterschreitet und/oder mit einer Rate abnimmt, die eine Mindestrate überschreitet.
Das Ventilgehäuse umfasst beispielsweise einen Schüttguteinlass, der eingerichtet ist, Schüttgutaufzunehmen und in Richtung des Ventilsitzelements zu leiten. Das Ventilsystem kann ferner einen Einlasseinsatz umfassen, der in dem Schüttguteinlass angeordnet ist. Das Ventilsystem kann ferner einen Auslasseinsatz umfassen. Dieser kann so angeordnet sein, dass Schüttgut, welches durch die Öffnung in dem Ventilsitzelement fließt, anschließend durch den Auslasseinsatz fließen kann.
Eine Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens umfasst zumindest ein oben beschriebenes Schüttgutventil und/oder zumindest ein oben beschriebenes Ventilsystem. Die Anlage kann ferner eine Prozesskammer umfassen, in der eine bewegliche Pulverauftragseinheit angeordnet ist, welche eingerichtet ist, eine Pulverschicht auf einen Träger aufzubringen. Darüber hinaus kann die Anlage eine Bestrahlungseinheit umfassen, die dazu eingerichtet ist, eine auf den Träger aufgebrachte Pulverschicht selektiv mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, insbesondere Laserstrahlung zu beaufschlagen. Beispielsweise herrscht in einer Prozesskammer, in welcher sich der Träger befindet, eine Atmosphäre mit einer bestimmten Gaszusammensetzung. Die Anlage kann Mittel beinhalten, welche die Gaszusammensetzung und einen Gasfluss regeln.
Die Prozesskammer kann mit einem Pulvereinlass zum Zuführen von Rohstoffpulver zu der Pulverauftragseinheit und einem Pulverauslass zum Abführen von überschüssigem Rohstoffpulver aus der Prozesskammer versehen sein. Eine Pulverkreislaufleitung, in der eine Fördereinrichtung zum Fördern des Rohstoffpulvers durch die Pulverkreislaufleitung angeordnet sein kann, kann den Pulverauslass der Prozesskammer mit dem Pulvereinlass der Prozesskammer verbinden. In der Pulverkreislaufleitung kann mindestens ein Schüttgutventil bzw. mindestens ein Ventilsystem angeordnet sein. Ferner kann auch in einer einen Pulverspeicher mit der Pulverkreislaufleitung verbindenden Pulverzufuhrleitung mindestens ein Schüttgutventil bzw. mindestens ein Ventilsystem angeordnet sein. Beispielsweise ist das Ventilsystem so in der Pulverkreislaufleitung bzw. der Pulverzufuhrleitung angeordnet, dass das Dichtungssystem des Ventilsystems die Gaszusammensetzung in der Prozesskammer, die auch in der Pulverkreislaufleitung bzw. der Pulverzufuhrleitung die Gasphase bildet, von einer Umgebungsatmosphäre trennt.
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Figuren näher beschrieben, wobei:

1 ein Ventilsystem in geschlossenem Zustand zeigt,
2 das Ventilsystem gemäß 1 in geöffnetem Zustand zeigt,
3 ein Schüttgutventil in geschlossenem Zustand zeigt und
4 eine Anlage zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens zeigt, die mit einem in den 1 und 2 gezeigten Ventilsystem ausgestattet ist.

Ein in den 1 und 2 veranschaulichtes Ventilsystem 200 umfasst ein in 3 separat gezeigtes Schüttgutventil 100 mit einem Stößel 1 und einem Ventilsitzelement 10. In dem Ventilsitzelement 10 ist eine das Ventilsitzelement 10 entlang einer Längsachse L des Schüttgutventils 100 durchsetzende Öffnung ausgebildet. Ferner umfasst das Ventilsystem 200 ein Ventilgehäuse 5, welches den Stößel 1 und das Ventilsitzelement 10 umschließt. Insbesondere definiert das Ventilgehäuse 5 eine Kammer 5b, in der der Stößel 1 bewegbar aufgenommen ist. Zum Öffnen des Schüttgutventils 100 wird der Stößel 1 in eine Bewegungsrichtung 13a bewegt. Zum Schließen des Schüttgutventils 100 wird der Stößel 1 dagegen in eine der Bewegungsrichtung 13a entgegengesetzte Bewegungsrichtung 13b bewegt. Dementsprechend ist der Stößel 1 entlang der Längsachse L des Schüttgutventils 100 zwischen einer in 1 gezeigten Schließstellung und einer in 2 gezeigten Offenstellung bewegbar.
Das Ventilgehäuse 5 umfasst einen Schüttguteinlass 5a. Pulver kann durch den Schüttguteinlass 5a in die Kammer 5b fließen. Bezogen auf die Längsachse L des Schüttgutventils 100 bzw. des Ventilsitzelements 10 ist der Schüttguteinlass 5a schräg angeordnet. Insbesondere bildet der Schüttguteinlass 5a mit der Längsachse L einen Winkel von 25 bis 50 Grad, vorzugsweise von ca. 35 Grad. Dadurch wird gewährleistet, dass über den Schüttguteinlass 5a in das Ventilgehäuse 5 zugeführtes Schüttgut in Richtung des Ventilsitzelements 10 und insbesondere in Richtung der in dem Ventilsitzelement 10 ausgebildeten Öffnung geleitet wird. Die Lenkung des dem Ventilgehäuse 5 über den Schüttguteinlass 5a zugeführten Schüttgutstroms in Richtung des Ventilsitzelements 10 wird ferner durch die Form des Stößels 1 unterstützt, der im Bereich seines von dem Ventilsitzelement 10 abgewandten Endes einen konisch geformten Abschnitt aufweist.
Ein Auslasseinsatz 11 ist im Bereich eines abstromseitigen Endes des Ventilsitzelements 10 mit dem Ventilgehäuse 5 verbunden. Dadurch wird ermöglicht, dass Schüttgut, welches im geöffneten Zustand des Schüttgutventils 100 durch die Öffnung in dem Ventilsitzelement 100 fließt, anschließend durch den Auslasseinsatz 11 aus dem Ventilgehäuse 5 abfließen kann.
Der Stößel 1 ist mit einem Ende 2a einer sich entlang der Bewegungsrichtung 13a bzw. der Längsachse L des Schüttgutventils 100 erstreckenden Welle 2 verbunden. Im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils 100 liegt eine Kontaktfläche 1a des Stößels 1 auf einem Ventilsitz 10a eines Ventilsitzelements 10 auf. Durch das Zusammenwirken der an dem Kontaktelement 12 ausgebildeten Kontaktfläche 1a des Stößels 1 mit dem Ventilsitz 10a des Ventilsitzelements 10 wird im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils 100 verhindert, dass Schüttgut, welches sich in der Kammer 5b des Ventilgehäuses 5 befindet, durch die Öffnung in dem Ventilsitzelement 10 und den Auslasseinsatz 11 fließen kann.
Die Kontaktfläche 1a wird durch eine umlaufende untere Kante eines hier in Form eines elastischen O-Rings ausgebildeten Kontaktelements 12 des Stößels 1 gebildet und ist demzufolge zumindest im geöffneten Zustand des Schüttgutventils 100 im Wesentlichen linienförmig. Im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils 100 verursacht ein Anpressdruck des Stößels 1 gegen das Ventilsitzelement 10 dagegen eine Verformung des Kontaktelements 12. Hierdurch wird die im geöffneten Zustand des Schüttgutventils 100 und bei geringem Anpressdruck des Stößels 1 im Wesentlichen linienförmige Kontaktfläche 1a verbreitert, was in 3 angedeutet ist. Statt in Form eines O-Rings kann das Kontaktelement 12 auch in Form eines elastischen Zylinders oder in Form eines elastischen Hohlzylinders ausgebildet sein. Ferner kann auch der Stößel 1 aus einem elastischen Material bestehen. Auf ein Kontaktelement 12 kann dann ggf. verzichtet werden. Die Kontaktfläche 1a kann zumindest im geschlossenen Zustand im Wesentlichen flächenförmig statt linienförmig sein. In diesem Fall kann die Kontaktfläche 1a im Wesentlichen die Form eines Mantels eines Kegelstumpfes oder eines Mantels eines Pyramidenstumpfes aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kontaktfläche 1a sowohl im geschlossenen Zustand als auch im geöffneten Zustand linienförmig ist oder dass die Kontaktfläche sowohl im geschlossenen Zustand als auch im geöffneten Zustand flächenförmig ist.
Der Ventilsitz 10a erstreckt sich von einer dem Stößel 1 zugewandten Oberfläche des Ventilsitzelements 10 in Bezug auf die Bewegungsrichtung 13a bzw. die Längsachse L des Schüttgutventils 100 in einem Winkel von etwa 45 Grad in Richtung des Stößels 1. In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel eines Schüttgutventils 100 ist der Ventilsitz 10a ringförmig ausgeführt und erstreckt sich entlang eines Außenumfangs des Ventilsitzelements 10 von der dem Stößel 1 zugewandten Oberfläche des Ventilsitzelements 10 in Bezug auf die Bewegungsrichtung 13a bzw. die Längsachse L des Schüttgutventils 100 schräg radial nach außen. Durch diese Ausgestaltung des Ventilsitzes 10a wird sichergestellt, dass Schüttgut, welches sich im geöffneten Zustand des Schüttgutventils 100 auf dem Ventilsitz 10a befindet, schwerkraftgetrieben von dem Ventilsitz 10a rutscht und durch die in dem Ventilsitzelement 10 ausgebildete Öffnung abfließt.
Im Bereich eines von dem Ventilsitzelement 10 abgewandten Endes wird die in dem Ventilgehäuse 5 definierte Kammer 5b durch eine in Form einer Verschlusskappe ausgebildete Wand 6 begrenzt. Durch die Wand 6 verläuft die Welle 2. Um ein Austreten von Schüttgut und/oder Gas aus der Kammer 5b durch einen Raum zwischen der Wand 6 und der Welle 2 zu verhindern, ist ein einen Außenumfang der Welle 2 umschließendes Dichtungssystem 7, 8 vorgesehen. Das Dichtungssystem 7, 8 besteht aus einer Filterdichtung 7 aus Filz und einem Wellendichtring 8. Die Filterdichtung 7 ist auf einer der Kammer 5b zugewandten Seite des Dichtungssystems 7, 8 angeordnet und dient dazu, ein Austreten von Schüttgut aus der Kammer 5b zu verhindern. Demgegenüber ist der Wellendichtring 8 auf einer von der Kammer 5b abgewandten Seite des Dichtungssystems 7, 8 angeordnet und dient dazu, ein Austreten von Gas aus der Kammer 5b zu verhindern.
Außerhalb der Kammer 5b ist eine Antriebseinheit 3, 4 angeordnet, die über die Welle 2 mit dem Stößel 1 verbunden ist und dazu dient den Stößel 1 entlang der Längsachse L des Schüttgutventils 100 wahlweise in die Bewegungsrichtung 13a oder in die der Bewegungsrichtung entgegengesetzte Richtung 13b zu bewegen. Die Antriebseinheit umfasst einen Motor 3 sowie einen Zylinder 4 und ist derart ausgelegt, dass der Stößel 1 zur Öffnung des Schüttgutventils 100 nur bis zu einer maximalen Öffnungsposition bewegt werden kann. Beispielsweise liegt in der maximalen Öffnungsposition des Stößels 1 zwischen dem Stößel 1 und der die Kammer 5b begrenzenden Wand 6 ein vordefinierter Mindestabstand vor, der etwa 1/3 einer Höhe der Kammer 5b in der Bewegungsrichtung 13a beträgt.
Das Ventilsystem 200 umfasst ferner ein in den Figuren lediglich schematisch veranschaulichtes Sensorsystem 18. Das Sensorsystem 18 umfasst mehrere Sensoren und ist dazu in der Lage, eine Position des Stößels 1 entlang der Bewegungsrichtung 13a zu detektieren. Hierzu kann das Sensorsystem 18 beispielsweise einen Positionssensor umfassen. Ferner ist das Sensorsystem 18 dazu eingerichtet, eine Kraft zu messen, die bei einer Bewegung des Stößels 1 auf den Stößel 1 wirkt. Darüber hinaus ist das Sensorsystem 18 dazu eingerichtet, eine Kraft zu bestimmen, die entgegen der Bewegungsrichtung 13a auf den Stößel 1 wirkt. Hierzu kann das Sensorsystem 18 beispielsweise entsprechende Kraftsensoren umfassen.
Ferner ist das Sensorsystem 18 dazu eingerichtet, einen Schüttgutstrom zu messen, der in das Ventilgehäuse 5 und/oder in die Kammer 5b fließt, zum Beispiel eine Schüttgutmenge pro Zeiteinheit. Darüber hinaus ist das Sensorsystem 18 dazu eingerichtet sein, einen Schüttgutstrom zu messen, der aus der Kammer 5b und/oder dem Ventilgehäuse 5 fließt. Hierzu kann das Sensorsystem 18 beispielsweise entsprechende Durchflussmengensensoren umfassen, die z.B. im Bereich des Einlasseinsatzes 9 und des Auslasseinsatz 11 angeordnet sind. Das Sensorsystem 18 ist ferner dazu eingerichtet, eine Schüttgutmenge zu messen, die sich in dem Ventilgehäuse 5 und/oder in der Kammer 5b befindet. Hierzu kann das Sensorsystem 18 beispielsweise einen Massensensor umfassen.
Das Ventilsystem 200 umfasst ferner eine Steuereinheit 20, die dazu eingerichtet, von dem Sensorsystem 18 erfasste Daten zu empfangen und den Betrieb des Ventilsystems 200 in Abhängigkeit der von dem Sensorsystem 18 erfassten Daten zu steuern. Die Steuereinheit 20 ist insbesondere dazu eingerichtet, die Antriebseinheit 3, 4 derart zu steuern, dass der Stößel 1 zur Öffnung des Schüttgutventils 100 nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse 5 und/oder der Kammer 5b befindet, eine Mindestmenge überschreitet. Ferner ist die Steuereinheit 20 dazu eingerichtet, die Antriebseinheit 3, 4 derart zu steuern, dass eine Bewegung des Stößels 1 abgebremst oder abgebrochen wird, wenn ein Schüttgutstrom in das Ventilgehäuse 5 und/oder die Kammer 5b einen vorbestimmten Schüttgutstromschwellwert überschreitet. Schließlich ist die Steuereinheit 20 dazu eingerichtet, die Antriebseinheit 3, 4 derart zu steuern, dass eine Bewegung des Stößels 1 abgebremst oder abgebrochen wird, wenn eine Kraft, die auf den Stößel 1 wirkt, eine vorbestimmte Maximalkraft überschreitet. Die Steuereinheit 20 ist ferner dazu eingerichtet, die Antriebseinheit 3, 4 derart zu steuern, dass der Stößel 1 zur Schließung des Schüttgutventils 100 nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse 5 und/oder der Kammer 5b befindet, eine Maximalmenge unterschreitet und/oder mit einer Rate abnimmt, die eine Mindestrate überschreitet.
Eine in 4 gezeigte Anlage 50 zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens umfasst eine Prozesskammer 52, in der eine bewegliche Pulverauftragseinheit 54 angeordnet ist, welche eingerichtet ist, eine Pulverschicht auf einen Träger 56 aufzubringen. Darüber hinaus umfasst die Anlage 50 eine Bestrahlungseinheit 58, die dazu eingerichtet ist, eine auf den Träger 56 aufgebrachte Pulverschicht selektiv mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, insbesondere Laserstrahlung zu beaufschlagen.
Die Prozesskammer 52 ist mit einem Pulvereinlass 60 zum Zuführen von Pulver zu der Pulverauftragseinheit 54 und einem Pulverauslass 62 zum Abführen von überschüssigem Pulver aus der Prozesskammer 52 versehen. Eine Pulverkreislaufleitung 64, in der eine Fördereinrichtung 66 zum Fördern des Pulvers durch die Pulverkreislaufleitung 64 angeordnet ist, verbindet den Pulverauslass 62 der Prozesskammer 52 mit dem Pulvereinlass 60 der Prozesskammer 52. In der Pulverkreislaufleitung 64 ist stromaufwärts des Pulvereinlasses 60 ein erstes Ventilsystem 200 angeordnet, so dass die Zufuhr von Pulver zu der Pulverauftragseinheit 54 durch das erste Ventilsystem 200 gesteuert werden kann, was einer Dosierung des Pulvers durch das erste Ventilsystem 200 entspricht. Ein zweites Ventilsystem 200 ist stromabwärts des Pulverauslasses 60 in der Pulverkreislaufleitung 64 angeordnet, so dass die Abfuhr von Pulver aus der Prozesskammer 52 durch das zweite Ventilsystem 200 gesteuert werden kann, was einer Dosierung des Pulvers durch das zweite Ventilsystem 200 entspricht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3023227 B1 [0003]

Claims

Schüttgutventil (100) zur Dosierung eines Schüttguts, wobei das Schüttgutventil (100) umfasst: einen Stößel (1); und ein Ventilsitzelement (10), wobei der Stößel (1) eingerichtet ist, in einer Bewegungsrichtung (13a) bewegt zu werden, wodurch das Schüttgutventil (100) geöffnet wird, sodass das Schüttgut durch eine Öffnung in dem Ventilsitzelement (10) fließen kann, wobei das Schüttgutventil (100) so ausgelegt ist, dass in geschlossenem Zustand des Schüttgutventils (100) eine Kontaktfläche (1a) des Stößels (1) auf einem Ventilsitz (10a) des Ventilsitzelements (10) aufliegt, und wobei der Ventilsitz (10a) in Bezug auf die Bewegungsrichtung (13a) schräg verläuft.
Schüttgutventil (100) nach Anspruch 1, wobei sich der Ventilsitz (10a) von einer dem Stößel (1) zugewandten Oberfläche des Ventilsitzelements (10) in Richtung des Stößels (1) erstreckt und/oder wobei sich der Ventilsitz (10a) in Bezug auf die Bewegungsrichtung (13a) in einem Winkel von etwa 30 bis 60 Grad, insbesondere in einem Winkel von 45 Grad erstreckt.
Schüttgutventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Stößel (1) so ausgebildet ist, dass die Kontaktfläche (1a) zumindest im geöffneten Zustand des Schüttgutventils (100) im Wesentlichen linienförmig ist oder zumindest im geschlossenen Zustand des Schüttgutventils (100) im Wesentlichen flächenförmig ist.
Schüttgutventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kontaktfläche (1a) des Stößels (1) im Wesentlichen ringförmig und/oder aus einem elastischen Material gebildet ist, und/oder wobei die Kontaktfläche (1a) des Stößels (1) an einem elastischen O-Ring oder an einem elastischen Zylinder, dessen Längsachse sich entlang der Bewegungsrichtung (13a) erstreckt, oder an einem elastischen Hohlzylinder, dessen Längsachse sich entlang der Bewegungsrichtung (13a) erstreckt, ausgebildet ist.
Ventilsystem (200) umfassend ein Schüttgutventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und ein Ventilgehäuse (5), welches den Stößel (1) und das Ventilsitzelement (10) umschließt und eine Kammer (5b) bildet, in welcher der Stößel (1) bewegbar ist.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 5, wobei das Ventilsystem ferner eine Welle (2) umfasst, die mit dem Stößel (1) verbunden ist und die vorzugsweise entlang der Bewegungsrichtung (13a) verläuft.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 6, ferner umfassend ein Dichtungssystem (7, 8), durch welches die Welle (2) verläuft und welches ausgestaltet ist, das Ventilgehäuse (5) abzudichten.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 7, wobei das Dichtungssystem eine Filterdichtung (7) umfasst, die eingerichtet ist, ein Austreten von Schüttgutaus der Kammer (5b) zu verhindern.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 8, wobei die Filterdichtung (7) aus einem Gewebe oder einem Filz besteht.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Filterdichtung (7) auf einer der Kammer (5b) zugewandten Seite des Dichtungssystems (7, 8) angeordnet ist.
Ventilsystem (200) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Dichtungssystem (7, 8) einen Wellendichtring (8) umfasst, der eingerichtet ist, ein Austreten von Gas aus der Kammer (5b) zu verhindern.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 11, wobei der Wellendichtring (8) auf einer von der Kammer (5b) abgewandten Seite des Dichtungssystems (7, 8) angeordnet ist.
Ventilsystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, ferner umfassend eine Antriebseinheit (3, 4), die mit dem Stößel (1) verbunden ist und eingerichtet ist, den Stößel (1) in der Bewegungsrichtung (13a) zu bewegen, beispielsweise durch eine Bewegung der Welle (2).
Ventilsystem (200) nach Anspruch 13, wobei die Antriebseinheit (3, 4) außerhalb der Kammer (5b) angeordnet ist.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Antriebseinheit (3, 4) derart ausgelegt ist, dass der Stößel (1) zur Öffnung des Schüttgutventils (100) nur bis zu einer maximal Öffnungsposition bewegt werden kann, in welcher zwischen dem Stößel (1) und einer die Kammer (5b) begrenzenden Wand (6), durch welche die Welle (2) verläuft, ein vordefinierter Mindestabstand vorliegt.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 15, wobei der Mindestabstand etwa 1/3 einer Höhe der Kammer (5b) in der Bewegungsrichtung (13a) beträgt.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die die Kammer (5b) begrenzende Wand (6) in Form einer Verschlusskappe ausgebildet ist.
Ventilsystem (200) einem der Ansprüche 5 bis 17, ferner umfassend ein Sensorsystem (18), das eingerichtet ist, a) eine Position des Stößels (1) zu detektieren; b) eine bei der Bewegung des Stößels (1) auf diesen wirkende Kraft zu messen; c) einen Schüttgutstrom zu messen, der in das Ventilgehäuse (5) und/oder die Kammer (5b) fließt; d) eine Schüttgutmenge zu messen, die sich in dem Ventilgehäuse (5) und/oder der Kammer (5b) befindet; e) einen Schüttgutstrom zu messen, der aus der Kammer (5b) und/oder dem Ventilgehäuse (5) fließt; und/oder f) eine Kraft zu bestimmen, die entgegen der Bewegungsrichtung (13a) auf den Stößel (1) wirkt.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 18, das ferner eine Steuereinheit (20) umfasst, die dazu eingerichtet, von dem Sensorsystem (18) erfasste Daten zu empfangen und den Betrieb des Ventilsystems (200) in Abhängigkeit der von dem Sensorsystem (18) erfassten Daten zu steuern, wobei die Steuereinheit (20) insbesondere dazu eingerichtet ist, die Antriebseinheit (3, 4) derart zu steuern, dass der Stößel (1) zur Öffnung des Schüttgutventils (100) nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse (5) und/oder der Kammer (5b) befindet, eine Mindestmenge überschreitet; eine Bewegung des Stößels (1) abgebremst oder abgebrochen wird, wenn ein Schüttgutstrom in das Ventilgehäuse (5) und/oder die Kammer (5b) einen vorbestimmten Schüttgutstromschwellwert überschreitet; eine Bewegung des Stößels (1) abgebremst oder abgebrochen wird, wenn eine Kraft, die auf den Stößel (1) wirkt, eine vorbestimmte Maximalkraft überschreitet; der Stößel (1) zur Schließung des Schüttgutventils (100) nur bewegt wird, wenn eine Schüttgutmenge, die sich in dem Ventilgehäuse (5) und/oder der Kammer (5b) befindet, eine Maximalmenge unterschreitet und/oder mit einer Rate abnimmt, die eine Mindestrate überschreitet.
Ventilsystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 19, wobei das Ventilgehäuse (5) einen Schüttguteinlass (5a) umfasst, der eingerichtet ist, Schüttgut aufzunehmen und in Richtung des Ventilsitzelements (10) zu leiten.
Ventilsystem (200) nach Anspruch 20, ferner umfassend einen Einlasseinsatz (9), der in dem Schüttguteinlass (5a) angeordnet ist.
Ventilsystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 21, ferner umfassend einen Auslasseinsatz (11), der so angeordnet ist, dass Schüttgut, welches durch die Öffnung in dem Ventilsitzelement (10) fließt, anschließend durch den Auslasseinsatz (11) fließen kann.
Anlage (50) zur Herstellung eines dreidimensionalen Werkstücks mithilfe eines generativen Schichtbauverfahrens, wobei die Anlage ein Schüttgutventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder ein Ventilsystem (200) nach einem der Ansprüche 5 bis 22 umfasst.