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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Pulver-Feinanteils von einem Pulver mit einer Größenverteilung seiner Partikel. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Trennen eines Pulver-Feinanteils von einem Pulver mit einer Größenverteilung seiner Partikel.
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Pulver dienen beispielsweise als Halbzeug für additive Fertigungsverfahren. Bei diesen Verfahren sind die Fließfähigkeit und die Dichte eines zu verarbeitenden Pulvers wichtige Kriterien in Bezug auf dessen Prozesstauglichkeit. Üblicherweise haben Pulver eine bestimmte Verteilungskurve ihrer Eigenschaften bezüglich der Gesamtmenge an Partikeln, wie diese beispielsweise der 3 zu entnehmen ist. Diese werden durch den Pulverhersteller angegeben. Ergibt sich nun abhängig vom Einsatzfall (z. B. bei Anwendungen des additiven Fertigungsverfahrens) ein Anpassungsbedarf der Eigenschaften des Pulvers, kann dies u. a. durch Aussondern des sogenannten Feinanteils des Pulvers, also der Partikel mit den geringsten Korngrößen d, erreicht werden. Dies wird normalerweise durch verschiedene Aussonderungsverfahren bewerkstelligt.
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Abhängig von Werkstoff und Partikelgröße (> 30 µm) können Siebe ein Trennen der Pulver-Feinanteile gewährleisten. Zu feine Siebe neigen jedoch zum Verstopfen, so dass deren Nutzung unwirtschaftlich ist. Ein anderes Verfahren sieht vor, dass die Partikel verwirbelt werden, so dass die leichten Partikel länger schweben und beispielsweise abgesaugt werden können. Auch können magnetische oder elektrische Felder genutzt werden, um schwebende Partikel mit entsprechenden Eigenschaften zu entfernen.
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Die genannten Verfahren sind entweder aufwändig in der Anwendung oder stoßen bei sehr feinen Partikeln an ihre Grenzen.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Verfahren zum Trennen eines Pulver-Feinanteils von einem Pulver mit einer Größenverteilung seiner Partikel bzw. eine zur Anwendung des Verfahrens geeignete Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der eine Trennung der Partikel wirtschaftlich und zuverlässig möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Pulver in einen Behälter gefüllt wird und anschließend ein Band mit einer adhäsiven und/oder Vertiefungen aufweisenden Oberfläche durch den Behälter gezogen wird, an dem vorzugsweise die kleineren Partikel haften bleiben (durch Adhäsion) und/oder aufgenommen werden (in den Vertiefungen). Die Haftung kommt durch die Adhäsion zustande, wobei der Effekt der Anhaftung bei den kleineren Partikeln aufgrund des in Bezug auf deren Masse größeren Oberflächenanteils stärker ausfällt. Es handelt sich um einen Kraftschluss. Bei Vorliegen von Vertiefungen bestimmt die Größe der Vertiefungen die Größe der vom Band aufgenommenen Partikel. Es handelt sich um einen Formschluss. Kraftschluss und Formschluss können als Effekte auch gleichzeitig zur Trennung des Feinanteils genutzt werden.
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Erfindungsgemäß gelingt mit dem Band eine Verringerung des Pulver-Feinanteils in einem Pulver, welches aufgrund der Größenverteilung seiner Partikel einen Pulver-Feinanteil enthält. Der Pulver-Feinanteil ist also abhängig vom Anwendungsfall als derjenige Anteil an Pulverpartikeln zu verstehen, welcher unterhalb einer bestimmten Korngröße oder Partikelgröße liegt, die beispielsweise als mittlerer Durchmesser eines Partikels definiert werden kann. Dieser Pulver-Feinanteil wird durch das erfindungsgemäße Verfahren entfernt oder zumindest reduziert, so dass die Größenverteilung der Pulverpartikel für den entsprechenden Anwendungsfall günstiger ausfällt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die an dem Band haftenden Partikel von dem Band abgetrennt und gesammelt werden. Diese Partikel ergeben somit ein Pulver mit einer anderen Größenverteilung, welches einem geeigneten anderen Anwendungsfall zugeführt werden kann. Außerdem kann auf diese Weise vorteilhaft verhindert werden, dass die Partikel des Pulver-Feinanteils in die Umwelt gelangen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pulver in dem Behälter durch einen Schwingungsgenerator mit Schwingungen beaufschlagt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass Pulverpartikel mit geringerer Korngröße in dem Behälter nach unten wandern, während die Partikel mit größerer Korngröße im oberen Teil des Behälters verbleiben. Die Aufkonzentration an Partikeln des Pulver-Feinanteils am Behälterboden führt vorteilhaft dazu, dass diese effektiver mit dem Band abgetrennt werden können, wobei das Band zu diesem Zweck besonders vorteilhaft entlang des Behälterbodens des Behälters geführt wird. Dort ist die Konzentration der Partikel des Pulver-Feinanteils am größten. Der Schwingungsgenerator kann beispielsweise Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugen (durch Verwendung eines Ultraschallkopfes).
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Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Pulver in dem Behälter mit einer Rührvorrichtung umgerührt wird. Ähnlich wie der Schwingungsgenerator führt auch ein Umrühren der Partikel dazu, dass Partikel des Pulver-Feinanteils zum Behälterboden wandern. Eine Rührvorrichtung ist mechanisch einfach umzusetzen, so dass das Verfahren kostengünstig durchgeführt werden kann.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Behälter mit einem Deckel verschlossen ist. Hierdurch kann vorteilhaft verhindert werden, dass Partikel beim Rühren oder beim Einprägen von Schwingungen aus dem Behälter heraus gelangen, da insbesondere Partikel des Pulver-Feinanteils, die sich an der Oberfläche der Pulverfüllung befinden, aufgewirbelt werden können. Deswegen ist es gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung auch vorteilhaft, die aufgewirbelten Partikel abzusaugen, da hierdurch der Prozess des Trennens des Pulver-Feinanteils beschleunigt wird.
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Eine wieder andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Band mit einer adhäsiven und/oder Vertiefungen aufweisenden Schicht beschichtet ist. Diese Schicht kann beispielsweise aus einer dünnen Folie aus einem geeigneten Material bestehen, wobei die Materialien mit Blick auf die Eigenschaften des zu behandelnden Pulvers ausgewählt werden müssen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die adhäsive und/oder Vertiefungen aufweisenden Schicht durch Beschichten des Bands beispielsweise mit einem Kunststoff oder einem Kleber ausgebildet wird, die adhäsiv wirken. Mittels Spinndüsen kann auch ein Kunststofffaden als Schicht aufgebracht werden, der auf dem Band ein Geflecht mit dazwischen liegenden Vertiefungen bildet Die Dichte der Fäden bestimmt die Partikelgröße, die mit dem Band transportiert werden kann. Das Material der Fäden kann zusätzlich adhäsiv wirken.
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Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn die adhäsive und/oder Vertiefungen aufweisende Schicht nach dem Durchlauf durch den Behälter von dem Band abgetrennt oder aufgelöst wird. Das Band kann dann einem wiederholten Behandlungsschritt zugeführt werden, nachdem es erneut beschichtet wurde. Dies vergünstigt vorteilhaft die Kosten des Verfahrens.
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Für die Verfahrensführung sind vorteilhaft unterschiedliche Modi denkbar. Gemäß einer Ausgestaltung der Verfahrensführung kann das Band als Endlosband verwendet werden. Dieses läuft dann in einer geeigneten Führung (beispielsweise Rollen) um. Es kann beispielsweise vor dem Durchlauf durch den Behälter beschichtet werden, wobei die Schicht nach Durchlaufen des Behälters wieder aufgelöst oder abgetrennt wird. Eine Rückgewinnung des Pulver-Feinanteils ist während dieses Prozessschritts ebenfalls möglich.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Prozess als Reelto-Reel-Prozess (Rolle-zu-Rolle-Prozess) auszugestalten. Dabei wird das Band von einer Vorratsrolle abgerollt, durchläuft dann den Behälter und wird anschließend auf einer Sammelrolle wieder aufgerollt. Vorher kann der Pulver-Feinanteil von dem Band gelöst und/oder eine eventuelle Beschichtung abgetrennt oder aufgelöst werden. Dies ist jedoch auch nach dem Aufrollen des Bandes in einem späteren Arbeitsschritt möglich.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das Band kontinuierlich durch den Behälter gezogen wird. Dabei kann gleichzeitig ein Rühren oder Rütteln bzw. Schwingen des Pulvers durchgeführt werden, so dass der Pulver-Feinanteil, der vorzugsweise am Gehäuseboden ankommt, sofort durch das Band abtransportiert wird. Der Prozess kann gestoppt werden, wenn kein Pulver-Feinanteil mehr auf dem Band abgeschieden wird, was durch eine geeignete Diagnosevorrichtung sichergestellt werden kann. Dies kann z. B. durch ein automatisches optisches Erkennungssystem (AOI-System) ermittelt werden.
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Eine Führung des Bands entlang des Behälterbodens kann alternativ gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erfolgen, dass das Band über Umlenkelemente durch den Behälter geführt wird. Die Umlenkelemente ermöglichen es, dass Band über die Oberfläche der Pulverfüllung in das Pulver zu führen, am Behälterboden umzulenken und anschließend wieder aus der Pulverfüllung herauszuführen. Der Vorteil dieser Konfiguration liegt darin, dass der Behälter einfach aufgebaut ist und ein Verlust von Pulver weitgehend vermieden werden kann. Die Umlenkelemente können beispielsweise durch Umlenkrollen, die sich bei der Führung des Bandes drehen, oder durch feststehende Zylinder, über die das Band gleitet, bestehen.
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Eine andere Alternative liegt darin, dass das Band durch Schlitze in der Behälterwand des Behälters geführt wird, wobei diese Schlitze vorzugsweise bodennah angebracht sind, so dass das Band ohne Umlenkungen direkt durch den Behälter geführt werden kann. Diese Konfiguration hat den Vorteil, dass das Band sofort in denjenigen Teil der Pulverfüllung eingeführt wird, in dem der Pulver-Feinanteil mit einer hohen Konzentration vorliegt.
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Die Aufgabe wird durch die eingangs angegebene Vorrichtung auch dadurch gelöst, dass diese Vorrichtung einen Behälter für das Pulver aufweist und ein durch den Behälter führbares Band mit einer adhäsiven und/oder Vertiefungen aufweisenden Oberfläche aufweist, wobei mit der Vorrichtung ein Verfahren wie oben beschrieben durchführbar ist. Die zu diesem Verfahren erläuterten Vorteile lassen sich damit auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erlangen, wobei diese abhängig von der Verfahrensführung mit den oben angegebenen Ausstattungsmerkmalen versehen ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 und 2 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens, die mit Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden, jeweils schematisch im Schnitt und
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3 qualitativ die Partikelgrößenverteilung eines Pulvers (logarithmisch als Partikelgröße d in µm auf der x-Achse dargestellt) wobei über der Partikelgröße auf der y-Achse die Summenverteilung (auch cumulative mass genannt) Q3(d) in % und die Dichteverteilung (auch probability density genannt) q3,log(d) in %/µm dargestellt sind.
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Eine Vorrichtung zum Trennen eines Pulver-Feinanteils aus einem Pulver weist einen Behälter 11 auf, in den ein zu behandelndes Pulver 12 eingefüllt wird. Der Behälter weist einen Schwingungsgenerator 13 in Form eines Ultraschallkopfes auf, mit dem das im Behälter 11 befindliche Pulver 12 in Schwingungen versetzt werden kann. Deshalb sinkt ein nicht näher dargestellter Feinanteil des Pulvers, kurz Pulver-Feinanteil, zu dem Boden des Behälters 11. Um den Pulver-Feinanteil aus dem Behälter 11 zu entfernen, wird ein Band 14 über Umlenkrollen 15 durch das im Behälter 11 befindliche Pulver 12 geleitet, wobei dieses in der Nähe des Bodens des Behälters 11 geführt wird, wo die Partikel des Feinanteils des Pulvers an dem Band 14 haften bleiben. Der Prozess läuft kontinuierlich ab, wobei das Band 14 von einer Vorratsrolle 16 abgerollt und auf eine Sammelrolle 17 aufgerollt wird. Mittels des Bands 14 wird der Pulver-Feinanteil aus dem Behälter 11 ausgetragen. Über eine optische Inspektionsvorrichtung 18 wird überprüft, ob die Partikel, die auf dem Band 14 anhaften, noch dem Pulver-Feinanteil zuzuordnen sind. Sobald solche Partikel nicht mehr im nennenswerten Umfang an dem Band haften, wird das Verfahren zum Trennen des Pulver-Feinanteils beendet.
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Das Band 14 durchläuft weiterhin eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung, bei der die anhaftenden Partikel mittels einer Rakel 19 (alternativ können auch Bürsten oder Messer zum Einsatz kommen, nicht dargestellt) abgeschabt wird. Der Pulver-Feinanteil 20 sammelt sich in der Vorrichtung und kann entweder entsorgt oder einer anderen Anwendung zugeführt werden. Das zumindest teilweise vom Pulver-Feinanteil 20 befreite Band 14 wird zum Schluss auf der Sammelrolle 17 aufgewickelt.
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Bei dem Verfahren gemäß 2 wird als Band 14 ein Endlosband verwendet, welches unter Zuhilfenahme der Umlenkrollen 15 wiederholt umläuft. Bevor das Band 14 durch den Behälter 11 gezogen wird, wird dieses beidseitig mit einer adhäsiven und/oder nicht näher dargestellte Vertiefungen aufweisenden Schicht 21 beschichtet, wie im Detail der 2 zu entnehmen ist. Hierzu werden Spritzdüsen 22 verwendet.
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Anschließend wird das Band 14 durch Schlitze 23 in den Seitenwänden des Behälters in das Pulver 12 eingeführt und anschließend wieder ausgeführt. Währenddessen sorgt eine Rührvorrichtung 24 für eine langsame Bewegung im Pulver, wodurch der Pulver-Feinanteil zum Boden des Behälters sackt. Partikel, insbesondere des Pulver-Feinanteils, die durch die Rührvorrichtung aufgewirbelt werden, verbleiben ebenfalls im Behälter 11, da dieser durch einen Deckel 25 verschlossen ist. Im Deckel ist außerdem eine Absaugvorrichtung 26 integriert, mit der der Pulver-Feinanteil aus dem oberen Teil des Behälters 11 abgesaugt werden kann. Dieser wird in einem Abscheidebehälter 27 gepumpt, wo der Pulver-Feinanteil 20 verbleibt, während die abgesaugte Luft durch ein Sieb 28 in die Umgebung entweicht.
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Die Teile des Bands 14, die den Behälter 11 verlassen, werden durch die Inspektionsvorrichtung 18 überprüft und anschließend einer Wanne 29 mit einem Lösemittelbad 30 zugeführt. Dort wird die Schicht 21 aufgelöst, so dass der Pulver-Feinanteil 20 sich am Boden der Wanne 29 sammelt, während das gereinigte Band 14 zu den Spritzdüsen 22 zurückgeführt wird. Der Pulver-Feinanteil 20 aus der Abscheidevorrichtung 27 und der Wanne 29 können einer weiteren Verwendung zugeführt werden oder entsorgt werden.
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Weitere Anlagenkonzepte können durch eine Kombination der Elemente der Anlagen aus 1 und 2 erzeugt werden. So kann der Prozess gemäß 2 auch als Reel-to-Reel-Prozess und der Prozess gemäß 1 mit Endlosband ausgeführt sein. Auch ist eine Beschichtung des Bands 14 gemäß 1 (einseitig oder beidseitig) möglich. Zuletzt kann gemäß 1 auch eine Rührvorrichtung oder gemäß 2 ein Schwingungsgenerator vorgesehen werden. Auch eine Absaugvorrichtung mit anschließender Trennung des Pulver-Feinanteils kann gemäß 1 verwendet werden.
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Gemäß 3 ist eine typische Größenverteilung der Partikel in einem Pulver exemplarisch dargestellt. Auf der logarithmischen X-Achse ist die Korngröße d in µm angegeben. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den mittleren Durchmesser der jeweiligen Partikel. Aufgetragen ist eine Korngröße zwischen 1 und 100 µm, wobei nennenswerte Anteile an Partikeln bei dem Pulverbeispiel zwischen 10 und 80 µm liegen.
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Auf der linken Seite des Diagramms ist die Summenverteilung der Masse in % angegeben. Diese steigt von 0 bis 100 % an, wobei ein charakteristischer Wert für das betreffende Pulver bei dem Durchmesser liegt, bei dem 50 % Masseanteil des Pulvers einen kleineren oder den gleichen Durchmesser d50 haben (im Ausführungsbeispiel gemäß 3 liegt d50 bei 33,4 µm).
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Auf der rechten Seite des Diagramms ist die spezifische Verteilungsdichte (Dichteverteilung) der Masse in % je µm Durchmesser angegeben. Die Verteilung entspricht einer Glockenkurve 31.
