DE102018111700A1

DE102018111700A1 - Pulverfüllverfahren und -vorrichtung

Info

Publication number: DE102018111700A1
Application number: DE102018111700.0A
Authority: DE
Inventors: Michelle Lynn SLODERBECK; Christopher Jeffrey Hall; Laura BANKS; Tim Murphy; David PLOETZ; Zachary David FIELDMAN; Christopher Chapman; Emily Anne Bautista; MacKenzie Ryan Redding
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CN108941545A; US20220274166A1; US11667095B2; CN108941545B; US20180333778A1; US11351605B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Verdichten von Pulver für additive Fertigungs(AM)-Verfahren und -Systeme. Herkömmliche Pulververdichtungsverfahren sind manuell und nicht standardisiert, und sie führen zu einer Ermüdung des Bedieners und haben möglicherweise Produktinkonsistenzen zur Folge. Eine Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessert die Standardisierung und reduziert die Durchlaufzeit mit dem Potenzial, die Kosten der additiven Fertigung zu senken.

Description

EINLEITUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Pulverfüll- bzw. Pulververdichtungsverfahren und -vorrichtungen zur Verwendung in Verfahren und Systemen zur pulverbasierten additiven Fertigung (AM, additive manufacturing).
HINTERGRUND
AM-Verfahren oder additive Druckverfahren umfassen allgemein, im Unterschied zu subtraktiven Fertigungsverfahren, den Aufbau eines oder mehrerer Materialien, um ein Objekt mit der Endkontur oder ein endkonturnahes (NNS, near net shape) Objekt herzustellen. Obwohl „additive Fertigung“ eine in der Industrie standardmäßige Bezeichnung (ASTM F2792) ist, umfasst die additive Fertigung (AM) verschiedene Herstellungs- und Prototypenentwicklungstechniken, die unter vielfältigen Namen bekannt sind, zu denen Freiformherstellung, 3D-Druck, Rapid Prototyping (schnelle Prototyperstellung) / Rapid Tooling (schnelle Werkzeugherstellung), etc. gehören. AM-Techniken sind in der Lage, komplexe Komponenten aus vielfältigen Materialien zu fertigen. Im Allgemeinen kann ein freistehendes Objekt aus einem rechnergestützten Entwurfsmodell (CAD-Modell) gefertigt werden. Eine bestimmte Art eines AM-Prozesses verwendet elektromagnetische Strahlung, wie etwa einen Laserstrahl, um ein pulverförmiges Metallmaterial zu sintern oder zu schmelzen, wodurch ein festes dreidimensionales Objekt geschaffen wird. Pulverbasierte Verfahren, wie etwa direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM, direct metal laser melting) und selektives Laser-Schmelzen (SLM, selective laser melting) werden verwendet, um Objekte für vielfältige Industriezweige herzustellen.
Selektives Laser-Sintern, direktes Laser-Sintern, selektives Laser-Schmelzen und direktes Laser-Schmelzen sind übliche industrielle Bezeichnungen, die verwendet werden, um auf die Herstellung dreidimensionaler (3D-)Objekte unter Verwendung eines Laserstrahls zur Sinterung oder Schmelzung eines feinen Pulvers Bezug zu nehmen. Zum Beispiel beschreiben das US-Patent Nr. 4,863,538 und das US-Patent Nr. 5,460,758 herkömmliche Lasersinterungstechniken. Genauer umfasst das Sintern ein Verschmelzen (Agglomerieren) von Partikeln eines Pulvers bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Pulvermaterials, während das Schmelzen ein vollständiges Schmelzen von Partikeln eines Pulvers zur Bildung einer festen homogenen Masse umfasst. Die physikalischen Prozesse, die mit Lasersintern oder Laserschmelzen verbunden sind, umfassen eine Wärmeübertragung auf ein Pulvermaterial und anschließend entweder Sintern oder Schmelzen des Pulvermaterials. Obwohl die Lasersinter- und -schmelzprozesse auf einen weiten Bereich von Pulvermaterialien angewandt werden können, werden die wissenschaftlichen und technischen Aspekte z.B. des Produktionswegs, der Sinter- oder Schmelzgeschwindigkeit und die Auswirkungen der Prozessparameter auf die mikrostrukturelle Entwicklung während des Schichtherstellungsprozesses nur unzureichend verstanden. Dieses Fertigungsverfahren ist von mehreren Modi der Wärme-, Massen- und Impulsübertragung und chemischen Reaktionen begleitet, die den Prozess sehr komplex machen.
1 zeigt eine schematische Darstellung, die eine Querschnittsansicht eines beispielhaften herkömmlichen Systems 100 zum direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) oder direkten Metall-Laser-Schmelzen (DMLM) zeigt. Die Vorrichtung 100 baut Objekte, z.B. das Teil 122, schichtweise durch Sintern oder Schmelzen eines (nicht veranschaulichten) Pulvermaterials unter Verwendung eines Energiestrahls 136, der durch eine Quelle, wie etwa einen Laser 120, erzeugt wird. Das Pulver, das durch den Energiestrahl geschmolzen werden soll, wird durch ein Pulverreservoir 126 zur Verfügung gestellt. Das Pulverreservoir wird auch manchmal als die Pulverdosierkammer bezeichnet. Das Pulver wird gleichmäßig über eine Bauplatte 114 unter Verwendung eines Beschichterarms 116 verteilt, der in eine Richtung 134 verfährt, um das Pulver auf einem Niveau 118 zu halten und überschüssiges Pulvermaterial, das über das Pulverniveau 118 hinausragt, zu einem Abfallbehälter 128 abzuführen. Der Energiestrahl 136 sintert oder schmilzt eine Querschnittsschicht des gerade gebauten Objektes unter der Steuerung durch den Galvanometer-Scanner 132. Die Bauplatte 114 wird abgesenkt, und eine weitere Pulverschicht wird über der Bauplatte und dem gerade gebauten Objekt verteilt, gefolgt von einem nachfolgenden Schmelzen / Sintern des Pulvers durch den Laser 120. Der Prozess wird wiederholt, bis das Teil 122 aus dem geschmolzenen / gesinterten Pulvermaterial vollständig aufgebaut ist.
Frühere Versuche, das Pulver in das Pulverreservoir oder die Dosierkammer zu füllen, konzentrierten sich auf das Einebnen des Schüttpulverkegels innerhalb der Kammer. 2-3 zeigen zwei Systeme, die in der deutschen Patentanmeldung DE 102012008664 A1 beschrieben sind. In 2 ist der Querschnitt der Deckplatte 215 an den inneren Querschnitt der Dosierkammer 203 angepasst, was ihr ermöglicht, in der Dosierkammer 203 platziert zu werden. Auf diese Weise kann sie die Schüttkegel in das Innere der Dosierkammer drücken, während vermieden wird, dass überschüssiges Pulver über den Randbereich der Dosierkammer nach außen herausgeschoben wird, wenn die Deckplatte den Schüttkegel flachdrückt. Es können Schwingungen in die Deckplatte 215 eingeleitet werden. Um die Oberfläche des Baumaterials zu glätten, ist es möglich, Schwingungselemente an der Deckplatte 215 vorzusehen. Sobald der oberste Teil des Schüttkegels aufgrund der vibrierenden Deckplatte 215 beseitigt worden ist, wird die Deckplatte 215 weiter in die Dosierkammer 203 eingeführt, bis erneut der Kontakt mit dem Schüttkegel auftritt. Dies ermöglicht dem Schüttkegel, schrittweise stufenartig verringert zu werden.
3 zeigt eine Alternative, in der mehrere Gaszuführelemente 318 an der Unterseite der Deckplatte 315 angeordnet sind. Die Gaszuführelemente 318 weisen eine lanzenförmige Gestalt auf, so dass sie in den aus dem Aufbaumaterial gebildeten Schüttkegel 317 eingetaucht werden können. Durch Einleitung des Gases in die Gaszuführelemente 318 wird der Schüttkegel 317 aufgewirbelt und dadurch begraben. Zum Druckausgleich kann eine Öffnung, die mit einem Filter abgedichtet ist, in der Deckplatte 315 angeordnet sein, wobei die Öffnung die Dosierkammer 303 in einer pulverdichten Weise verschließt. Folglich kann nur das Gas, das in die Dosierkammer 303 eingeleitet wird, die Dosierkammer 303 verlassen, jedoch nicht das Baumaterial 305. Die Gaszuführelemente 318 sind mit einem bestimmten Vorteil in einer kreisförmigen Weise angeordnet; sie können auch aus mehreren konzentrischen Kreisen bestehen. Das Zentrum dieser Kreise ist das Zentrum des Austrittskonus 316, wobei der Kreis oder die Kreise der Gaszuführelemente 318 in einer derartigen Weise angeordnet sind, dass sie sich jeweils unterhalb der Öffnung der Deckplatte 315 befinden, durch die das Aufbaumaterial 305 in die Dosierkammer 303 fällt.
Derartige Verfahren können gemeinsam mit bekannten manuellen Pulververdichtungsverfahren, z.B. mit einer Kelle, eine ungleichförmige Fülldichte innerhalb des Pulverreservoirs zur Folge haben. Außerdem sind derartige Techniken häufig langsam, und sie können zur Ermüdung eines Bedieners und zu Abweichungen zwischen Stapeln führen. Demgemäß werden verbesserte Systeme und Verfahren benötigt, um Pulver schnell und gleichmäßig in das Pulverreservoir zu füllen bzw. zu verdichten. Eine einheitliche Fülldichte kann auch Bedienern ermöglichen, besser zu planen, wieviel Pulver benötigt wird; Schwankungen können zur Prozessunterbrechung und Verschwendung führen.
KURZBESCHREIBUNG
Das Folgende stellt eine vereinfachte Kurzbeschreibung eines oder mehrerer Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, um ein Grundverständnis derartiger Aspekte zu vermitteln. Diese Kurzbeschreibung ist keine umfassende Übersicht über alle in Erwägung gezogenen Aspekte und soll weder Schlüsselelemente oder kritische Elemente aller Aspekte identifizieren, noch den Schutzumfang irgendwelcher oder aller Aspekte abzugrenzen. Ihr Zweck besteht darin, einige Konzepte eines oder mehrerer Aspekte in einer vereinfachten Form als Einleitung zu der detaillierteren Beschreibung, die hier nachstehend dargeboten wird, zu präsentieren.
In einem Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zum Vorbereiten eines pulverförmigen Metalls gerichtet, das bei der additiven Fertigung verwendet werden soll, das die Schritte a) bis c) aufweist. Der Schritt a) umfasst ein Zugeben einer ersten Pulvermenge zu einem Pulverreservoir. Der Schritt b) umfasst ein Einführen eines Verdichtungswerkzeugs in das Pulverreservoir, um das Pulver zu verdichten, wobei das Verdichtungswerkzeug eine Hülse und eine Schwingungsquelle aufweist. Der Schritt c) umfasst ein Versetzen des Verdichtungswerkzeugs in Schwingungen, um das Pulver in dem Pulverreservoir zu verdichten und eine verdichtete Pulverschicht zu bilden.
In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Zugeben einer zweiten Pulvermenge über der verdichteten Pulverschicht aufweisen. In einigen bevorzugten Ausführungsformen kann das Pulverreservoir eine Bodenplatte aufweisen, und das Verdichtungswerkzeug kann einen Drucksensor aufweisen. In einigen der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann das Versetzen des Verdichtungswerkzeugs in Schwingungen, um das Pulver zu verdichten, ein Versetzen des Verdichtungswerkzeugs in Schwingungen und gleichzeitiges Anheben der Bodenplatte mit einer Geschwindigkeit aufweisen, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ ferner vor dem Zugeben der ersten Pulvermenge in das Pulverreservoir ein Absenken der Bodenplatte aufweisen. Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann das Verdichtungswerkzeug in einigen Ausführungsformen eine Deckplatte sein, die das wenigstens eine mechanische Element aufweist, das sich von der Deckplatte aus nach unten erstreckt. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner ein Anheben der Deckplatte und Drehen der Deckplatte um 90° aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren noch weiter ein Absenken der Deckplatte in das Pulverreservoir aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren noch weiter ein Wiederholen der folgenden Schritte aufweisen: Versetzen des wenigstens eines mechanischen Elementes in Schwingungen und gleichzeitiges Anheben der Bodenplatte mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht ist; Anheben der Deckplatte; Drehen der Deckplatte um 90°; und Absenken der Deckplatte in das Pulverreservoir, bis die obere Platte um insgesamt 360° in Bezug auf ihre ursprüngliche Position gedreht worden ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner vor dem Schritt a) ein Zuführen des Pulvers in einen Trichter und Gestatten dem Pulver, für eine Zeitdauer aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre hindurch in das Pulverreservoir zu strömen, aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ ferner, bevor dem Pulver gestattet wird, aus dem Trichter durch das eine oder die mehreren Rohre in das Pulverreservoir zu strömen, ein Absenken der Bodenplatte aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ ferner, bevor dem Pulver gestattet wird, aus dem Trichter durch das eine oder die mehreren Rohre in das Pulverreservoir zu strömen, ein Verriegeln der Position der Deckplatte über dem oberen Rand des Pulverreservoirs aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ ferner vor dem Gestatten, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre in das Pulverreservoir strömt, den Schritt des Anhebens der Bodenplatte aufweisen, bis entweder der Drucksensor einen Pulververdichtungsgrenzwert erfasst oder das wenigstens eine mechanische Element, das sich von der Deckplatte nach unten erstreckt, mit der Bodenplatte in Kontakt gelangt. In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verfahrens wird das Verdichtungswerkzeug in Längsrichtung in das Pulverreservoir eingeführt.
In einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf eine Vorrichtung zum Verdichten eines Pulvermaterials gerichtet, die eine Schwingungsquelle und wenigstens ein mechanisches Element aufweist, das durch eine Schwingung variabler Frequenz und variabler Intensität gekennzeichnet ist, wobei das Element eine Hülse ist, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Teil der Schwingungsquelle zu umhüllen, und wobei eine Klemmvorrichtung mit einem Abschnitt der Hülse in Eingriff steht.
In einigen Ausführungsformen kann die Schwingungsquelle elektrisch betrieben sein. Zusätzlich oder als eine Alternative kann die Hülse in einigen Ausführungsformen von der Schwingungsquelle lösbar sein. Weiter zusätzlich oder als eine weitere Alternative kann die Vorrichtung in einigen bevorzugten Ausführungsformen ferner eine Deckplatte aufweisen, die das wenigstens eine mechanische Element aufweist, das sich nach unten erstreckt. In einigen der zuletzt erwähnten bevorzugten Ausführungsformen kann die Deckplatte ferner einen Drucksensor aufweisen. In einigen Ausführungsformen einer beliebigen vorstehend erwähnten Vorrichtung kann das wenigstens eine mechanische Element einen Drucksensor aufweisen.
Diese und weitere Aspekte der Offenbarung werden bei einer Durchsicht der detaillierten Beschreibung, die folgt, umfassender verstanden.
Figurenliste

1 zeigt eine beispielhafte herkömmliche Pulverbettvorrichtung zur additiven Fertigung.
2 zeigt eine herkömmliche Pulververdichtungsvorrichtung, die eine Deckplatte enthält.
3 zeigt eine herkömmliche Pulververdichtungsvorrichtung, die Gaszuführelemente enthält.
4A zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
4B zeigt eine Querschnittansicht eines beispielhaften Verdichtungswerkzeugs zur Verwendung mit der vorliegenden Offenbarung.
4C zeigt ein alternatives Beispiel einer Vorrichtung zur Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
5A-5C zeigen eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die detaillierte Beschreibung, die nachstehend in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, ist als eine Beschreibung verschiedener Konfigurationen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, nur diejenigen Konfigurationen zu repräsentieren, in denen die hierin beschriebenen Konzepte umgesetzt werden können. Die detaillierte Beschreibung enthält spezifische Details für den Zweck der Vermittlung eines grundliegenden Verständnisses der verschiedenen Konzepte. Jedoch wird es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass diese Konzepte ohne diese speziellen Details umgesetzt werden können. In einigen Fällen sind allgemein bekannte Komponenten in einer Blockdiagrammform veranschaulicht, um ein Hervorrufen von Unklarheiten bezüglich derartiger Konzepte zu vermeiden.
Die vorliegende Anmeldung betrifft automatisierte Verfahren zum Vorbereiten eines Pulvers, der bei der additiven Fertigung verwendet werden soll. Derartige Verfahren unterscheiden sich von herkömmlichen Pulvervorbereitungsverfahren durch Beseitigung manueller Kraft und nicht standardmäßiger Ausrüstung und Prozeduren. Durch Automatisierung des Pulververdichtungsprozesses verbessert die vorliegende Offenbarung die Prozessstandardisierung, sie reduziert körperlichen Verschleiß an dem Bediener und verbessert die Maschinendurchlaufzeit (z.B. durch Minimierung der Vorbereitungszeitdauer).
4A zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Verwendung gemäß der vorliegenden Offenbarung. Es wird eine erste Pulvermenge 406 einem Pulverreservoir 404 zugeführt. In einigen Aspekten kann das Pulverreservoir eine Bodenplatte 405 aufweisen. Das Pulverreservoir 404 kann durch eine oder mehrere Seitenwände 414 und eine Bodenplatte 405 definiert sein. In einem Aspekt bewegt sich die Bodenplatte 405 in einer vertikalen Richtung. Diese Bewegung kann in einer beliebigen bekannten Weise unterstützt werden. In einigen Aspekten ist die Bodenplatte 405 eine externe Platte, die zu der pulverbasierten additiven Fertigungsvorrichtung hinzugefügt wird, um die Größe des Pulverreservoirs 404 weiter zu begrenzen.
In einigen Aspekten kann die Bodenplatte 405 in ein Pulverreservoir 404 heruntergelassen werden, bevor Pulver dem Reservoir 404 zugegeben wird. Ein Verdichtungswerkzeug 410, das eine Schwingungsquelle 401 und wenigstens ein sich nach unten erstreckendes mechanisches Element 402 aufweist, kann in das Pulver enthaltende Reservoir 404 eingeführt und in Schwingung versetzt werden, um das Pulver in dem Reservoir 404 zu verdichten und eine (nicht veranschaulichte) verdichtete Pulverschicht zu bilden. Das wenigstens eine mechanische Element 402 ist eine Hülse, die eingerichtet ist, um die Schwingungsquelle 401 zu umhüllen. Die äußere Oberfläche der Hülse ist aus einem Metall hergestellt, das aus Kobalt-Chrom, rostfreien Stählen, Werkzeugstahl, martensitaushärtendem Stahl, Aluminiumlegierungen, Nickellegierungen, Kupferlegierungen oder Titanlegierungen ausgewählt ist. In einigen Aspekten ist die äußere Oberfläche der Hülse aus einem Metall hergestellt, dass das Gleiche wie das pulverförmige Metall ist, das mit der Vorrichtung verwendet wird, um eine Verunreinigung zu vermeiden. In einigen Aspekten kann das Verdichtungswerkzeug 410 einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Drucksensoren aufweisen. Die Vorrichtung kann ferner einen (nicht veranschaulichten) Schwingungsisolationsring um das wenigstens eine mechanische Element 402 herum aufweisen, und der Schwingungsisolationsring kann helfen, Schwingungen zu dämpfen und/oder zu isolieren und diese auf das Verdichtungswerkzeug 410 örtlich zu begrenzen. In einigen Aspekten kann die Hülse von der Schwingungsquelle lösbar und austauschbar sein. Nach dem Verdichten der ersten Pulvermenge kann eine zweite Pulvermenge über der verdichteten Pulverschicht zugegeben werden, und der Prozess kann wiederholt werden.
4B zeigt eine Längsschnittansicht eines beispielhaften Verdichtungswerkzeugs 410 zur Verwendung mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Verdichtungswerkzeug 410 weist eine Schwingungsquelle 401 und wenigstens ein mechanisches Element 402 auf, das eine Hülse ist, die eingerichtet ist, um die Schwingungsquelle 401 zu umhüllen. Das wenigstens eine mechanische Element 402 kann eingerichtet sein, um die Schwingungsquelle 401 mittels einer Klemmvorrichtung 411 zu umfassen, die wiederrum einen oder mehrere Greifmechanismen 412, wie etwa eine(n) oder mehrere Zähne oder Lippen, die zu dem einen oder den mehreren (nicht veranschaulichten) Greifmechanismen an der Hülse komplementär ausgebildet sein können, und ein oder mehrere Befestigungsmittel 413, wie etwa Schrauben oder Muttern und Bolzen, aufweisen kann. In einigen Aspekten weist die Klemmvorrichtung 411 einen oder mehrere Greifmechanismen 412, wie etwa Zähne, auf, die eingerichtet sind, um mit einem oder mehreren Greifmechanismen der Hülse in Eingriff zu stehen. In einigen Aspekten wird das Verdichtungswerkzeug 410 in das Pulver enthaltende Reservoir 404 (4A) bis zu einer Tiefe eingeführt, eingetaucht oder untergetaucht, die nicht größer als die Länge des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 ist. In einigen Aspekten wird das Verdichtungswerkzeug 410 in das Pulver enthaltende Reservoir 404 (4A) bis zu einer Tiefe eingeführt, eingetaucht oder untergetaucht, die größer als die Länge des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 ist. Die Klemmvorrichtung 411 kann aus demselben oder aus einem anderen Material als das Metallpulver hergestellt sein. Wenn das Verdichtungswerkzeug 410 in das Pulver enthaltende Reservoir 404 bis zu einer Tiefe eingeführt, eingetaucht oder untergetaucht werden soll, die größer als die Länge des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 ist, dann ist es vorzuziehen, dass die Klemmvorrichtung 411 aus demselben Material wie das Metallpulver besteht.
Die Schwingungsquelle 401 kann eine beliebige geeignete Quelle sein und kann kommerziell verfügbar sein. Zu nicht beschränkenden Beispielen für geeignete Schwingungsquellen gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Dewalt-Stiftvibratoren und Beton-Vibratoren.
4C zeigt ein alternatives Beispiel einer Vorrichtung zur Verwendung gemäß der vorliegenden Offenbarung. In einigen Aspekten weist das Verdichtungswerkzeug 410 eine Deckplatte 400 und wenigstens ein mechanisches Element 402 auf, das eine Hülse ist, die eingerichtet ist, um eine (nicht veranschaulichte) Schwingungsquelle zu umhüllen. Eine erste Pulvermenge 406 wird dem Pulverreservoir 404 zugegeben, das eine Bodenplatte 405 aufweisen kann. In einigen Aspekten kann das Pulver über einen (nicht veranschaulichten) Trichter und ein oder mehrere Rohre 403, die von dem Trichter aus verlaufen, zugeführt werden. In einigen Aspekten kann dem Pulver gestattet sein, aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre 403 in das Pulverreservoir 404 hinein für eine Zeitdauer zu strömen. In einigen Aspekten kann das eine oder können die mehreren Rohre 403 offen oder geschlossen sein. In einigen Aspekten kann die Bodenplatte 405 in ein Pulverreservoir 404 abgesenkt werden, bevor dem Pulver gestattet wird, aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre hindurch in das Reservoir 404 hinein zu strömen. Das Verdichtungswerkzeug 410 kann in das Pulver enthaltende Reservoir 404 eingeführt und in Schwingungen versetzt werden, um das Pulver in dem Reservoir 404 zu verdichten und eine (nicht veranschaulichte) verdichtete Pulverschicht zu bilden. Die Vorrichtung kann ferner einen (nicht veranschaulichten) Schwingungsisolationsring um das eine oder die mehreren Rohre 403 herum aufweisen, und der Schwingungsisolationsring kann helfen, Schwingungen zu dämpfen und/oder zu isolieren und sie auf das Verdichtungswerkzeug 410 örtlich zu begrenzen. Nach dem Verdichten der ersten Pulvermenge kann eine zweite Pulvermenge über der verdichteten Pulverschicht zugegeben werden, und der Prozess kann wiederholt werden.
Das Verdichtungswerkzeug 410 kann einen oder mehrere (nicht veranschaulichte) Drucksensoren aufweisen. In einigen Aspekten kann die Position der Deckplatte 400 oder des Verdichtungswerkzeugs 410 über dem oberen Rand des Pulverreservoirs 404 verriegelt werden, bevor zugelassen wird, das Pulver aus dem (nicht veranschaulichten) Trichter durch das eine oder die mehreren Rohre 403 in das Pulverreservoir 404 strömt. In einigen Aspekten verlaufen das eine oder die mehreren Rohre 403 von dem Trichter zu der Mitte der Deckplatte 400. In einigen Aspekten verlaufen das eine oder die mehreren Rohre 403 von dem Trichter zu der Mitte und zu einer oder mehreren Ecken der Deckplatte 400. In einigen Aspekten kann, bevor zugelassen wird, dass Pulver aus dem Trichter durch das eine oder die mehreren Rohre 403 hindurch in das Pulverreservoir 404 strömt, die Bodenplatte 405 angehoben werden, bis entweder der eine oder die mehreren Drucksensoren einen Pulververdichtungsgrenzwert erfassen oder das wenigstens eine mechanische Element 402, das von der Deckplatte 400 nach unten ragt, mit der Bodenplatte 405 in Kontakt gelangt.
Das wenigstens eine mechanische Element 402 kann sich über eine beliebige Länge hinweg erstrecken; es liegt innerhalb der Kenntnisse von Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet, geeignete Längen für das wenigstens eine mechanische Element 402 zu bestimmen. In einigen Aspekten erstreckt sich das wenigstens eine mechanische Element 402 von dem Verdichtungswerkzeug 410 aus über eine Länge nach unten, die eine Funktion der Höhe des Pulverreservoirs 404 ist. Zum Beispiel kann ein höheres Pulverreservoir 404 oder eine größere Pulverhöhe mit einem Verdichtungswerkzeug 401 mit einem längeren wenigstens einen mechanischen Element 402 verwendet werden. Zum Beispiel kann das Verhältnis der Höhe des Pulverreservoirs 404 zu der Länge des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 im Bereich von 4:1 bis 8:1 oder bei einem beliebigen Verhältnis dazwischen liegen. Das wenigstens eine mechanische Element 402 eignet sich vorzugsweise dazu, Schwingungen von dem Verdichtungswerkzeug 410 auf das darunterliegende Pulver zu übertragen. In einer Ausführungsform werden die Schwingungen durch zylindrische mechanische Elemente 402 übertragen. Die Gestalt des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 kann auch eine andere Gestalt, wie etwa quadratisch oder rechteckig, sein.
Das Pulverreservoir 404 kann beliebige Abmessungen aufweisen, die sich zur Verwendung mit dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung eignen. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine rechteckige oder quadratische Basis mit Seitenwänden auf, die von den Rändern der Basis aufsteigen. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine Wandhöhe von nicht mehr als 4 Fuß auf. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine Wandhöhe von nicht mehr als 3 Fuß auf. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine rechteckige oder quadratische Basis auf, die auf wenigstens einer Seite nicht weniger als 1 Fuß lang ist. In einigen Aspekten weist das Pulverreservoir 404 eine quadratische Basis auf, die auf wenigstens einer Seite nicht mehr als 5 Fuß lang ist.
Das wenigstens eine mechanische Elementes 402, das eine Hülse ist, die eingerichtet ist, um eine Schwingungsquelle zu umhüllen, kann eine beliebige Hülsenwanddicke aufweisen, die die Differenz zwischen dem äußeren und dem inneren Radius des mechanischen Elementes 402 ist. In einigen Aspekten weist das wenigstens eine mechanische Element 402 eine Hülsenwanddicke von nicht mehr als 1,5 Zoll auf. In einigen Aspekten weist das wenigstens eine mechanische Element 402 eine Hülsenwanddicke von nicht weniger als 0,25 Zoll auf.
Das wenigstens eine mechanische Element 402 kann eine beliebige Anzahl von mechanischen Elementen 402 oder eine beliebige Reihenanzahl aufweisen. In einigen Aspekten ist die Anzahl der mechanischen Elemente 402 eine Funktion der Weite und/oder Tiefe des Pulverreservoirs 404. In einigen Aspekten ist die Anzahl der mechanischen Elemente 402 eine Funktion der Dicke (des äußeren Durchmessers) des wenigstens einen mechanischen Elementes 402. Zum Beispiel ist die Anzahl der mechanischen Elemente 402 umso größer, je kleiner die Dicke (der Außendurchmesser) des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 ist. Ohne auf irgendeine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass eine Dämpfungszone um jedes Schwingungsübertragungselement herum vorhanden sein kann, die im Vergleich zu der Verwendung einer Schwingungsplatte alleine verbesserte Pulververdichtungsfähigkeiten bietet. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung eine verbesserte Pulververdichtung ohne die Einleitung von Gas oder irgendeines anderen Mittels zur Pulververdichtung, wie bspw. einer manuellen Verdichtung mittels einer Kelle.
5A-5C zeigen eine schematische Darstellung von Schritten zur Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung gemäß einigen Aspekten. In 5A wird ein Verdichtungswerkzeug 410 in das Pulverreservoir 404 abgesenkt, das eine erste Pulvermenge 406 enthält, die gewöhnlich einen durch die Einfüllmaßnahme gebildeten Schüttpulverkegel aufweist. Während das Verdichtungswerkzeug 410 abgesenkt wird, wird das wenigstens eine mechanische Element 402 in die erste Pulvermenge 406 eingetaucht (5B). Sobald es bis zu einer gewünschten Tiefe eingetaucht ist, wird das Verdichtungswerkzeug 410 in Schwingungen versetzt, und das wenigstens eine mechanische Element 402 überträgt die Schwingungen nach unten in das Pulver hinein. In einigen Aspekten wird die Deckplatte 400 in Schwingungen versetzt, während sie abgesenkt wird. In einigen Aspekten wird die Deckplatte 400 abgesenkt, während die Bodenplatte 405 gleichzeitig angehoben wird. Das wenigstens eine mechanische Element 402 kann in Schwingungen versetzt werden, während gleichzeitig die Bodenplatte 405 mit einer Geschwindigkeit angehoben wird, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht ist, wie dies durch den einen oder die mehreren (nicht veranschaulichten) Druckmesser erfasst wird. In einigen Aspekten kann der Druckgrenzwert und/oder die Geschwindigkeit, mit der die Bodenplatte 405 angehoben wird, unter Verwendung eines Computers gesteuert werden. Es wird angenommen, dass das wenigstens eine mechanische Element 402 die Schwingungen nach unten in das Pulver hinein zwischen der Deckplatte 400 und der Bodenplatte 405 ausdehnt. Die Verwendung eines vorbestimmten Druckgrenzwertes kann die Gleichmäßigkeit der Pulververdichtung verbessern. Die Schwingungen können bei einer beliebigen geeigneten Frequenz und für eine beliebige geeignete Zeitdauer erfolgen.
Nach einer geeigneten oder gewünschten Schwingungsdauer kann das Verdichtungswerkzeug 410 aus dem Pulverreservoir 404 heraus angehoben werden (5C). Das Verdichtungswerkzeug 410 kann angehoben, um 90° gedreht und in das Pulverreservoir 404 hinein abgesenkt werden. Die Schritte des Versetzens des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 in Schwingungen und des gleichzeitigen Anhebens der Bodenplatte 405 mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird, des Anhebens des Verdichtungswerkzeugs 410, des Drehens des Verdichtungswerkzeugs 410 um 90° und des Absenkens des Verdichtungswerkzeugs 410 in das Pulverreservoir 404 hinein können wiederholt werden. In einigen Aspekten verdichten die Schritte eine Pulvermenge zwischen der Deckplatte 400 und der Bodenplatte 405. In einigen Aspekten können die Schritte wiederholt werden, bis das Verdichtungswerkzeug 410 um insgesamt 360° oder ein Mehrfaches davon im Vergleich zu seiner ursprünglichen Position gedreht worden ist. In einigen Aspekten wird das Verdichtungswerkzeug 410 um 360° oder ein Mehrfaches davon in Bezug auf seine ursprüngliche Position gedreht, so dass irgendwelche Löcher, die durch das wenigstens eine mechanische Element 402 in dem Pulver erzeugt werden, während oder infolge der Drehung(en) mit Pulver gefüllt werden.
In einigen Aspekten kann ein Computer ferner dazu verwendet werden, Bewegungen des Verdichtungswerkzeugs 410, eine Einleitung der Pulverzuführung in einen (nicht veranschaulichten) Trichter, die Initiierung der Schwingungen des wenigstens einen mechanischen Elementes 402 und das Anheben oder Absenken der Bodenplatte 405 zu steuern. Ein Anheben oder Absenken der Deckplatte 400, des Verdichtungswerkzeugs 410 und/oder der Bodenplatte 405 kann über (eine) beliebige geeignete Strecke(n) erfolgen; ein Bestimmen derartiger Strecke(n) liegt innerhalb der Kenntnisse von Durchschnittsfachleuten auf dem Gebiet.
In einigen Aspekten weist die Vorrichtung einen (nicht veranschaulichten) Trichter, ein oder mehrere Rohre 403, einen (nicht veranschaulichten) Schwingungsisolationsring und das Verdichtungswerkzeug 410 auf, und sie kann von dem Pulverreservoir 404 trennbar sein. Die Vorrichtung kann durch jedes beliebige geeignete Mittel, das für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet bekannt ist, von dem Pulverreservoir 404 trennbar oder mit diesem verbindbar sein.
Die Vorrichtung, der Trichter, das eine oder die mehreren Rohre 403, der Schwingungsisolationsring, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, wenigstens ein mechanisches Element 402, das Pulverreservoir 404, die Bodenplatte 405 und ein oder mehrere Drucksensoren können aus beliebigen geeigneten, in der Technik bekannten Materialien, einschließlich jedoch nicht darauf beschränkt, Kobalt-Chrom, gebildet sein. Vorzugsweise verunreinigen Teile, die mit dem Pulver in Kontakt kommen können, wie etwa der Trichter, das eine oder die mehreren Rohre 403, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, das wenigstens eine mechanische Element 402, ein oder mehrere Drucksensoren, das Pulverreservoir 404 und die Bodenplatte 405, das Pulver nicht. Außerdem sind die Vorrichtung, der Trichter, das eine oder die mehreren Rohre 403, der Schwingungsisolationsring, das Verdichtungswerkzeug 410, die Deckplatte 400, das wenigstens eine mechanische Element 402, das Pulverreservoir 404, die Bodenplatte 405 und der eine oder die mehreren Drucksensoren vorzugsweise aus Materialien hergestellt, die Schwingungen mit der Frequenz und Dauer, die gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, standhalten können.
Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung können mit beliebigen pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren und -vorrichtungen, wie etwa zum DMLM oder SLM, verwendet werden. Die Verfahren und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Offenbarung können mit einem beliebigen Pulvermaterial verwendet werden; vorzugsweise reagiert das Pulver nicht mit dem (den) Material(ien), aus dem (denen) die Vorrichtung besteht.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der bevorzugten Ausführungsformen, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten. Aspekte von den verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen sowie andere bekannte Äquivalente für jeden derartigen Aspekt können von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet miteinander vermischt und angepasst werden, um weitere Ausführungsformen und Techniken gemäß den Prinzipien dieser Anmeldung zu schaffen.
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein das Verdichten von Pulver für additive Fertigungs(AM)-Verfahren und -Systeme. Herkömmliche Pulververdichtungsverfahren sind manuell und nicht standardisiert, und sie führen zu einer Ermüdung des Bedieners und haben möglicherweise Produktinkonsistenzen zur Folge. Eine Pulververdichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung verbessert die Standardisierung und reduziert die Durchlaufzeit mit dem Potenzial, die Kosten der additiven Fertigung zu senken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4863538 [0003]
US 5460758 [0003]
DE 102012008664 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Vorbereitung eines pulverförmigen Metalls, das in der additiven Fertigung verwendet werden soll, das aufweist: a) Zugeben einer ersten Pulvermenge zu einem Pulverreservoir (404); b) Einführen eines Verdichtungswerkzeugs (410) in das Pulverreservoir (404), um das Pulver zu verdichten, wobei das Verdichtungswerkzeug (410) eine Hülse und eine Schwingungsquelle (401) aufweist; c) Versetzen des Verdichtungswerkzeugs (410) in Schwingungen, um das Pulver in dem Pulverreservoir (404) zu verdichten und eine verdichtete Pulverschicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Pulverreservoir (404) eine Bodenplatte (405) aufweist und wobei das Verdichtungswerkzeug (410) einen Drucksensor aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Versetzen des Verdichtungswerkzeugs (410) in Schwingungen, um das Pulver zu verdichten, ein Versetzen des Verdichtungswerkzeugs (410) in Schwingungen und gleichzeitiges Anheben der Bodenplatte (405) mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, das ferner vor dem Zugeben der ersten Pulvermenge in das Pulverreservoir (404) ein Absenken der Bodenplatte (405) aufweist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2-4, wobei das Verdichtungswerkzeug (410) eine Deckplatte (400) ist, die das wenigstens eine mechanische Element (402) aufweist, das sich von der Deckplatte (400) aus nach unten erstreckt; wobei das Verdichtungswerkzeug (410) vorzugsweise in Längsrichtung in das Pulverreservoir (404) eingeführt wird.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2-5, das ferner aufweist: Anheben der Deckplatte (400) und Drehen der Deckplatte (400) um 90°; und/oder Absenken der Deckplatte (400) in das Pulverreservoir (404).
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2-6, das ferner ein Wiederholen der Schritte aufweist: Versetzen des wenigstens eines mechanischen Elementes (402) in Schwingungen und gleichzeitiges Anheben der Bodenplatte (405) mit einer Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Druckgrenzwert erreicht wird; Anheben der Deckplatte (400); Drehen der Deckplatte (400) um 90°; und Absenken der Deckplatte (400) in das Pulverreservoir (404) hinein, bis die Deckplatte (400) um insgesamt 360° in Bezug auf ihre ursprüngliche Position gedreht worden ist.
Verfahren nach einem beliebigen der Ansprüche 2-7, das ferner vor dem Schritt a) ein Zuführen des Pulvers in einen Trichter und Zulassen, dass das Pulver aus dem Trichter durch ein oder mehrere Rohre hindurch in das Pulverreservoir für eine Zeitdauer strömt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, das ferner vor dem Zulassen, dass das Pulver aus dem Trichter durch das eine oder die mehreren Rohre (403) in das Pulverreservoir (404) strömt, wenigstens einen der Schritte aufweist: Absenken der Bodenplatte (405); Verriegeln der Position der Deckplatte (400) über dem oberen Rand des Pulverreservoirs (404); und/oder Anheben der Bodenplatte (405), bis entweder der Drucksensor einen Pulververdichtungsgrenzwert erfasst oder das wenigstens eine mechanische Element (402), das sich von der Deckplatte (400) nach unten erstreckt, mit der Bodenplatte (405) in Kontakt gelangt.
Vorrichtung zur Verdichtung eines pulverförmigen Metalls, die aufweist: eine Schwingungsquelle (401); und wenigstens ein mechanisches Element (402), das durch eine Schwingung mit variabler Frequenz und variabler Intensität gekennzeichnet ist; wobei das Element (402) eine Hülse ist, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Teil der Schwingungsquelle (401) zu umhüllen; und wobei eine Klemmvorrichtung (411) mit einem Abschnitt der Hülse in Eingriff steht.