DE202022103635U1

DE202022103635U1 - Pulverzufuhrsysteme für Laser-Metallabscheidung

Info

Publication number: DE202022103635U1
Application number: DE202022103635.7U
Authority: DE
Original assignee: Talens Systems S L U; Talens Systems SLU
Current assignee: Talens Systems S L U; Talens Systems SLU
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-09-19
Anticipated expiration: 2032-07-01
Also published as: EP4295977A1; WO2023247797A1

Abstract

Pulverzufuhrsystem (100) mit:
einer Pulverzufuhreinrichtung (101), die mit einer Laser-Metallauftragsvorrichtung verbindbar ist, wobei die Pulverzufuhreinrichtung einen Zufuhrtrichter (102) zum Speichern von Pulver, einen ersten Pulverauslass, über den das Pulver der Laser-Metallauftragsvorrichtung zugeführt werden soll, und einen ersten Pulvereinlass (112) aufweist;
mindestens einem Nachfülltrichter (103), der dafür konfiguriert ist, zusätzliches Pulver zu speichern und einen zweiten Pulverauslass (114) aufweist, der mit dem ersten Pulvereinlass (112) in Fluidverbindung steht und über den das zusätzliche Pulver dem Zufuhrtrichter (102) zugeführt wird;
einem Druckgenerator (111), der dafür konfiguriert ist, einen Betriebsdruckpegel im Inneren des Zufuhrtrichters (102) zu erzeugen; und
einer Steuereinheit (119), die dafür konfiguriert ist, während des Normalbetriebs der Pulverzufuhreinrichtung (101) und bei Empfang eines ersten Nachfüllsignals den Druckgenerator (111) zu veranlassen, einen Druckpegel innerhalb des Nachfülltrichters (113) zu erzeugen, der im Wesentlichen dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter (102) gleicht, und den Durchfluss mindestens eines Teils des zusätzlichen Pulvers vom Nachfülltrichter (113) zum Zufuhrtrichter (102) zu veranlassen.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein additive Fertigungsverfahren, wie z.B. additive Schichtaufbauverfahren, bei denen Metall- oder Keramikpulver verwendet werden, um eine Aufbau- oder Beschichtungsoberfläche von Teilen zu bilden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Pulverzufuhrsysteme für Laser-Metallabscheidungs-Fertigungsverfahren und Verfahren zum Nachfüllen einer Pulverzufuhreinrichtung der Pulverzuführungssysteme.
Hintergrund der Erfindung
Laserauftragsschweißen (Laser Metal Deposition, LMD), auch bekannt als Laser-Cladding, ist ein DED- (Direct Energy Deposition), Verfahren, bei dem eine Laserquelle verwendet wird, um einen konzentrierten Strahl zu erzeugen, der auf die Oberfläche eines Substrats (Werkstücks) fokussiert wird und einen Schmelzpool auf dem Substrat erzeugt. Das Material in der Form von Pulver oder Drähten wird durch eine oder mehrere Zufuhrdüsen in den fokussierten Laserstrahl injiziert. Falls es sich bei dem zugegebenen Material um Pulver, z.B. Metall- oder Keramikpulver handelt, trifft das eingeblasene Pulver auf den Laserstrahl und wird absorbiert und in den Schmelzpool integriert, wobei es sich auf der Oberfläche des Substrats ablagert. Ein XYZ-Positionierungsmechanismus bewegt das Substrat im Allgemeinen relativ zum Laser, um das Teil Schicht für Schicht zu erzeugen. Diese Technik ermöglicht die schichtweise additive Fertigung von Teilen mit komplexer Geometrie, von mittlerer und großer Größe und mit einer hohen Abscheidungsrate (bis zu 10 kg/h oder mehr). Beim LMD-Verfahren werden allgemein CAD-Software oder 3D-Objektscanner verwendet, um die Hardware für den Materialauftrag zu steuern.
Die in den Laserstrahl injizierten Pulverpartikel werden von einem Zufuhrsystem über zylindrische Einlässe zu den Zufuhrdüsen gesaugt. Herkömmliche Pulverzufuhreinrichtungen verwenden mechanische Strukturen zum Zuführen eines dosierten Pulverstroms. In der Regel wird das Pulver durch die Wirkung eines durch einen Motor angetriebenen rotierenden Rades aus einem Pulverbehälter gesaugt oder herausgedrückt. Solche Zufuhrsysteme müssen einen konstanten Druck (z.B. 1,5 bar oder mehr) innerhalb ihrer Behälter oder Trichter aufrechterhalten, um Schwankungen des Pulverstroms zu vermeiden, die zu einer Pulverzufuhr mit einer ungleichmäßigen Rate führen können. Diese Schwankungen können auch zu Problemen bei der Qualitätskontrolle führen, die ansonsten einen gleichmäßigen Pulverstrom erfordert. Die Sicherstellung einer effizienten und gleichmäßigen Zufuhr des Pulvers in den Gas-PulverStrom an den Pulverzufuhrdüsen ist für das Laserauftragsschweißen von entscheidender Bedeutung, um eine hohe Qualität der Werkstücke zu gewährleisten.
Die Behälter oder Trichter der herkömmlichen Pulverzufuhreinrichtungen haben jedoch nur eine begrenzte Pulverspeicherkapazität (das Trichtervolumen liegt allgemein im Bereich zwischen 1,1 und 5 Litern), so dass der Laserauftragsschweißprozess jedes Mal unterbrochen werden muss, wenn die Trichter leer sind und nachgefüllt werden müssen, da sie einen konstanten Druck innerhalb bestimmter Grenzen aufrechterhalten müssen. Dieser Nachfüllvorgang kann in Abhängigkeit vom Trichtervolumen und von der Auftragsrate alle paar Stunden erforderlich sein. Dies macht den Herstellungsprozess ineffizient und kann zu Unregelmäßigkeiten im fertigen Teil führen. Bei einigen Lösungen wurde versucht, dieses Problem zu lösen, indem zusätzliche Pulverzufuhreinrichtungen mit ihren entsprechenden Trichtern verwendet werden, die mit der entsprechenden Laserauftragsschweißvorrichtung parallel verbunden sind und Schalter, Ventile oder ähnliche Vorrichtungen zum Steuern, welche Pulverzufuhreinrichtung die Auftragsdüse speist, zwischengeschaltet werden. Auf diese Weise verfügt das System über eine Hauptpulverzufuhreinrichtung und Reservepulverzufuhreinrichtungen, die in Betrieb genommen werden, wenn die Trichter der übrigen Pulverzufuhreinrichtung geleert sind. Diese Lösung ist ineffizient, teuer, ungeeignet für Situationen, in denen nicht genügend Platz für die Installation einer Vielzahl von Pulverzufuhreinrichtungen vorhanden ist, und führt zu einer großen Variabilität bei den erhaltenen Beschichtungsoberflächen, da die Pulverzufuhreinrichtungen möglicherweise nicht genau die gleiche Menge an Pulver (die Beschichtungsrate beträgt Gramm pro Minute) auf das Substrat auftragen.
Daher besteht auf dem Fachgebiet nach wie vor Bedarf an Pulverzufuhrsystemen, die insbesondere für Hochgeschwindigkeits-Fertigungsverfahren zweckmäßig sind, die eine konstante und kontinuierliche Pulverzufuhr mit gleichbleibender Rate und in einer Menge bereitstellen können, die für die Herstellung von Teilen mit großen Abmessungen ausreicht.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung ein Pulverzufuhrsystem bereitzustellen, das eine Pulverzufuhreinrichtung aufweist, die mit einer LMD-Vorrichtung verbindbar ist, wobei die Pulverzufuhreinrichtung einen Zufuhrtrichter zum Speichern von Pulver, einen ersten Pulverauslass, über den das Pulver der LMD-Vorrichtung zugeführt werden soll, und einen ersten Pulvereinlass aufweist. Die hier verwendete LMD-Vorrichtung kann eine beliebige Vorrichtung oder ein beliebiges System sein, wie z.B. Laserauftragsschweißmaschinen, Laserauftragsköpfe oder -düsen usw., die in der Lage sind, einen Schmelzpool an der Werkstückoberfläche zu erzeugen, dem gleichzeitig das durch den Laser geschmolzene Pulver zugeführt wird. Die Pulverzufuhreinrichtung kann vorzugsweise eine Verdrängungszufuhreinrichtung sein, die eine rotierende Scheibe verwendet, die Pulver in kleinen Löchern oder Rillen sammelt. Alternativ kann die Pulverzufuhreinrichtung eine Pulverzufuhreinrichtung des Schneckentyps, eine Flowmotion-Pulverzufuhreinrichtung mit einem definierten Vibrationsantrieb zum Dosieren des Pulvermaterials oder eine andere bekannte Art von Pulverzufuhreinrichtung sein. An einem bestimmten Punkt wird Pulver in die Pulverzufuhrleitung geblasen, wo ein Gas wie Argon oder Stickstoff das Pulver durch den Pulverzufuhrschlauch zum gewünschten Austrittspunkt an den Auftragsdüsen befördert.
Das Pulverzufuhrsystem weist auch einen Druckgenerator zum Erzeugen eines Betriebsdruckpegels im Inneren des Zufuhrtrichters auf. Der Betriebsdruckpegel im Inneren des Zufuhrtrichters kann allgemein zwischen 1,5 bar und 6 bar liegen, obwohl auch andere Druckpegel verwendet werden können, um einen geeigneten Druckunterschied zwischen dem Inhalt des Trichters und dem Pulverträgergasstrom zu gewährleisten, der verwendet wird, um das fluidisierte Pulver aus dem Trichter und zu den Auftragsdüsen zu bewegen. Während in einigen Ausführungsformen der Druckgenerator eine einzige Druckquelle sein kann, wie z.B. eine Kolbenschneckenpumpe, ein Differenzdruckgenerator, die Druckflasche (Gasflasche), in der das Gas gespeichert ist, usw., die den Druckpegel in beiden Trichtern erzeugt, können in einigen anderen Ausführungsformen andere Druckquellen zum Erzeugen beider Druckpegel verwendet werden. Vorzugsweise ist die Druckquelle eine unter Druck stehende Gasquelle.
Das Pulverzufuhrsystem weist ferner mindestens einen Nachfülltrichter auf, der dafür konfiguriert ist, zusätzliches Pulver zu speichern und der einen zweiten Pulverauslass aufweist, der mit dem ersten Pulvereinlass in Fluidverbindung steht, über den das zusätzliche Pulver dem Zufuhrtrichter zugeführt wird. Der Nachfülltrichter kann in Abhängigkeit vom System, in dem er installiert werden soll, und den Anforderungen des jeweiligen additiven Fertigungsverfahrens einen breiten Bereich an Formen und Volumina aufweisen. Vorzugsweise kann das Volumen des Nachfülltrichters derart gewählt werden, dass er bis zu 400 kg Pulver oder sogar mehr aufnehmen kann. Dieses zusätzliche Pulver wird das gleiche Pulver sein, das auch im Nachfülltrichter gespeichert ist.
Das Pulverzufuhrsystem weist auch eine Steuereinheit auf, die dafür konfiguriert ist, während des Normalbetriebs der Pulverzufuhreinrichtung und bei Empfang eines ersten Nachfüllsignals den Druckgenerator zu veranlassen, einen Druckpegel im Nachfülltrichter zu erzeugen, der im Wesentlichen dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter gleicht, und den Durchfluss zumindest eines Teils des zusätzlichen Pulvers vom Nachfülltrichter zum Zufuhrtrichter zu veranlassen. Der hierin verwendete Begriff „Normalbetrieb der Pulverzufuhreinrichtung“ bezieht sich auf den regulären Betrieb der Zufuhreinrichtung, bei dem die erforderliche Pulverdosis für die LMD-Vorrichtung bereitgestellt wird. Auf diese Weise füllt der Nachfülltrichter den Zufuhrtrichter während seines normalen Betriebs auf, ohne dass der LMD-Prozess zu irgendeinem Zeitpunkt angehalten werden muss. Durch den Druckausgleich in beiden Trichtern vor der Überführung des Pulvers vom Nachfülltrichter zum Zufuhrtrichter wird der Druck am Zufuhrtrichter während des Pulverdurchflusses nicht beeinflusst, so dass Schwankungen der Pulverdurchflussrate am Auslass der Pulverzufuhreinrichtung vermieden werden. Dadurch wird der Pulverfluss bei einer konstanten und gleichmäßigen Rate gehalten, ein konstanter und kontinuierlicher Auftrag des Pulvers auf dem jeweiligen Substrat sichergestellt und eine hohe Qualität der Teile gewährleistet. Daher muss außerdem, indem der Nachfüllvorgang des Trichters der Pulverzufuhreinrichtung während seines normalen Zufuhrbetriebs ausgeführt wird, und damit so, dass die Pulverzufuhr nicht unterbrochen werden muss, der additive Herstellungsprozess, insbesondere der Laser-Metallauftragsprozess, der durch die Pulverzufuhreinrichtung beschickt wird, zu keinem Zeitpunkt unterbrochen werden. Dies verbessert die Gesamteffizienz des Fertigungsprozesses.
Sobald die vordefinierte Menge an Pulver aus dem Nachfülltrichter in den Zufuhrtrichter gelangt ist, kann der Nachfülltrichter drucklos gemacht werden.
Die hierin verwendete Steuereinheit kann eine CNC-Steuereinheit, eine SPS- oder eine ähnliche andere Vorrichtung sein, die die erforderliche Hardware und Software zum Ausführen der hierin beschriebenen Funktionen aufweist.
In einigen Ausführungsformen weist das Pulverzufuhrsystem eine zwischen dem Zufuhrtrichter und dem Nachfülltrichter angeordnete erste Durchflussregelungseinrichtung zum Regeln des Durchflusses des zusätzlichen Pulvers auf. Diese Durchflussregelungseinrichtung kann in einer Leitung, einem Rohr oder einem Schlauch integriert sein, über die/das/den der erste Pulvereinlass des Zufuhrtrichters mit dem zweiten Pulverauslass des Nachfülltrichters kommuniziert. Die erste Durchflussregelungseinrichtung ist dafür konfiguriert, den Durchfluss von Pulver vom Nachfülltrichter zum Zufuhrtrichter zuzulassen oder zu verhindern. Diese erste Durchflussregelungseinrichtung kann beispielsweise ein Magnetventil oder ein pneumatisches Ventil sein, und vorzugsweise ein Membranmagnetventil oder ein pneumatisches Membranventil. In einigen anderen Ausführungsformen kann das Ventil ein Quetschventil sein, das in seiner normalen Stellung geschlossen ist und sich öffnet, wenn es unter Druck steht oder umgekehrt.
In einigen Ausführungsformen weist das Pulverzufuhrsystem einen ersten Durchflussmesser auf, der zwischen dem Zufuhrtrichter und dem Nachfülltrichter, vorzugsweise stromabwärts von der ersten Durchflussregelungseinrichtung, angeordnet ist, um die Menge des zusätzlichen Pulvers zu überwachen, das zum Zufuhrtrichter gelangt. Dies ermöglicht eine bessere Steuerung der Pulvermenge, die vom Nachfülltrichter zum Zufuhrtrichter gelangt, und damit auch der in beiden Trichtern Pulverrestmenge.
In einigen Ausführungsformen weist das Pulverzufuhrsystem einen am Auslass der Pulverzufuhreinrichtung angeordneten zweiten Durchflussmesser zum Überwachen der Pulverdurchflussrate auf, die der Laser-Metallauftragsvorrichtung zugeführt werden soll. Dies ermöglicht eine bessere Steuerung der Pulvermenge, die der LMD-Vorrichtung zugeführt wird.
In einigen Ausführungsformen weist die Pulverzufuhreinrichtung einen ersten Füllstandsensor zum Überwachen des Pulverfüllstands im Zufuhrtrichter auf. Dieser erste Füllstandsensor kann auf dem Deckel des Zufuhrtrichters angeordnet sein. Alternativ kann die Pulverzufuhreinrichtung auch Wägezellen zum Wiegen des Pulvers im Zufuhrtrichter aufweisen, woraus die Pulverrestmenge abgeschätzt werden kann. Die Verwendung von Füllstandsensoren vereinfacht die Überwachung der Pulverrestmenge, da diese Messung unabhängig von den besonderen physikalischen und chemischen Eigenschaften, z.B. der Dichte, des in den Trichter eingefüllten Pulvers ist. Für eine Grenzstanderfassung von Festkörpermaterialien steht eine Vielzahl von Sensoren zur Verfügung, darunter Vibrations-, Drehflügel-, mechanische (Membran-), Mikrowellen- (Radar-), Kapazitäts-, optische, Impuls-Ultraschall- und Ultraschall-Füllstandsensoren.
In einigen Ausführungsformen ist das erste Nachfüllsignal, das an der Steuereinheit empfangen wird, ein durch den ersten Füllstandsensor ausgegebenes Signal, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Zufuhrtrichter unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt. Alternativ kann das erste Nachfüllsignal ein Signal sein, das durch einen Benutzer erzeugt wird, um das Nachfüllen des Zufuhrtrichters zu erzwingen. Der erste Füllstandsensor kann auch ein Stoppsignal ausgeben, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Zufuhrtrichter einen „vollen“ Pegel erreicht hat, so dass die Steuereinheit veranlassen kann, dass der Nachfülltrichter den Durchfluss von Pulver zum Zufuhrtrichter stoppt. Beispielsweise kann die Steuereinheit die erste Durchflussregelungseinrichtung schließen.
In einigen Ausführungsformen weist der Nachfülltrichter einen zweiten Pulvereinlass auf, über den Pulver von einer externen Pulverquelle bereitgestellt wird. Diese externe Pulverquelle kann ein Pulverlager sein, von dem das Pulver durch Schwerkraft, durch Einblasen des Pulvers (z.B. durch Einblasen eines Gases) oder durch eine andere Fördereinrichtung wie beispielsweise eine Peristaltikpumpe oder eine andere Vorrichtung oder ein anderes System, das in der Lage ist, Pulver von der externen Quelle zum Nachfülltrichter zu fördern, zugeführt wird. Dieser zweite Pulvereinlass ist vorzugsweise am Deckel des Nachfülltrichters angeordnet. Der Nachfülltrichter kann ferner einen weiteren Pulvereinlass zum manuellen Zuführen von Pulver aufweisen.
In einigen Ausführungsformen weist das Pulverzufuhrsystem eine stromaufwärts vom zweiten Pulvereinlass angeordnete zweite Durchflussregelungseinrichtung zum Regeln des Pulverdurchflusses von der externen Pulverquelle auf. Diese Durchflussregelungseinrichtung kann in eine Leitung, ein Rohr oder einen Schlauch integriert sein, die/das/der den zweiten Pulvereinlass des Nachfülltrichters mit der externen Pulverquelle verbindet, und kann geöffnet und geschlossen werden, um den Durchfluss von Pulver zu ermöglichen oder zu verhindern. Diese zweite Durchflussregelungseinrichtung kann beispielsweise ein Magnetventil oder ein pneumatisches Ventil sein, vorzugsweise ein Membranmagnetventil oder ein pneumatisches Membranventil. In einigen anderen Ausführungsformen kann das Ventil ein Quetschventil sein, das in seiner normalen Stellung geschlossen ist und sich öffnet, wenn es unter Druck gesetzt wird oder umgekehrt.
In einigen Ausführungsformen weist der Nachfülltrichter einen zweiten Füllstandsensor, z.B. Vibrations-, Drehflügel-, mechanische (Membran-), Mikrowellen-(Radar-), Kapazitäts-, optische, gepulste Ultraschall- und Ultraschall-Füllstandsensoren, zum Überwachen des Pulverfüllstands im Nachfülltrichter auf. Dieser zweite Füllstandsensor kann auf dem Deckel des Nachfülltrichters angeordnet sein. Alternativ kann der Nachfülltrichter auch Wägezellen zum Wiegen des Pulvers im Nachfülltrichter aufweisen, woraus die Pulverrestmenge abgeschätzt werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuereinheit dafür konfiguriert, in Antwort auf den Empfang eines zweiten Nachfüllsignals zu veranlassen, dass dem Nachfülltrichter von der externen Pulverquelle über den zweiten Pulvereinlass Pulver zugeführt wird. Das heißt, die Steuereinheit kann die Gaseinblasung veranlassen, um das Pulver von der externen Pulverquelle einzublasen, oder kann die Peristaltikpumpe aktivieren, um das Pulver zuzuführen, und kann auch das am Einlass des Nachfülltrichters angeordnete Ventil öffnen.
In einigen Ausführungsformen ist das zweite Nachfüllsignal ein vom zweiten Füllstandsensor empfangenes Signal, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Nachfülltrichter unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt, oder ein von einem Benutzer empfangenes Signal. In jedem dieser Fälle kann die Steuereinheit die entsprechenden Fördereinrichtungen aktivieren, um Pulver von der externen Pulverquelle zum Nachfülltrichter zu fördern, oder das Pulver kann manuell in den Nachfülltrichter eingefüllt werden. Außerdem kann die Steuereinheit veranlassen, dass die zweite Durchflussregelungseinrichtung geöffnet wird, um den Durchfluss des Pulvers zu ermöglichen. Der zweite Füllstandsensor kann auch ein Stoppsignal ausgeben, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Nachfülltrichter einen „vollen“ Pegel erreicht hat, so dass die Steuereinheit die externe Pulverquelle veranlassen kann, die Pulverzufuhr zum Nachfülltrichter zu stoppen. Beispielsweise kann die Steuereinheit die zweite Durchflussregelungseinrichtung schließen oder das Gaseinblasen oder die Peristaltikpumpe deaktivieren.
In einigen Ausführungsformen weisen der Pulvertrichter und der Nachfülltrichter einen entsprechenden ersten Drucksensor und einen zweiten Drucksensor zum Überwachen des Druckpegels im Inneren des entsprechenden Zufuhrtrichters bzw. Nachfülltrichters auf. Diese Drucksensoren werden verwendet, um die Druckpegel in den Trichtern jederzeit und insbesondere während des Nachfüllvorgangs zu überwachen.
In einigen Ausführungsformen weisen der Zufuhrtrichter und der Nachfülltrichter einen ersten bzw. einen zweiten Gaseinlass auf, die mit Druckgeneratoren verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen sind der Zufuhrtrichter und der Nachfülltrichter dafür konfiguriert, Metallpulver (rostfreier Stahl, Silber, Kupfer, Nickel, Titan, Kobalt, Metalloxide usw.), Keramikpulver (Karbide, Nitride, Oxidkeramik usw.) oder eine Kombination davon aufzunehmen. Metallpulver kann aus einer einzelnen Metallkomponente, einer Kombination von Metallkomponenten, Legierungen und einer beliebigen Kombination davon hergestellt sein. Keramikpulver kann aus einer einzelnen keramischen Komponente oder aus einer Kombination von keramischen Komponenten hergestellt sein. Aufgrund der Toxizität dieser Pulver ist das hier dargestellte Pulverzufuhrsystem vorzugsweise luftdicht konfiguriert worden.
In einigen Ausführungsformen weist mindestens ein Trichter unter dem Zufuhrtrichter und dem Nachfülltrichter ein elektrisch betätigten Rührer zum Bewegen des Pulvers auf. Vorzugsweise weisen beide Trichter einen elektrisch betriebenen Rührer auf. Die Rührer können durch einen Elektromotor, der auf den jeweiligen Deckeln der Trichter angeordnet ist, und durch Zwischenschaltung entsprechender axialer Drehachsen angetrieben werden. Der Rührer kann ein beliebiger bekannter Rührer sein, der in der Lage ist, Pulver in der Nähe des Pulverauslasses zu bewegen, so dass Verstopfungen und Pulversegregation minimiert werden und eine kontinuierliche Pulverzufuhr gewährleistet ist. Vorzugsweise ist der elektrisch betriebene Rührer eine Förderschnecke, die dafür konfiguriert ist, Pulver von einem Bereich in der Nähe der jeweiligen Pulverauslässe des Zufuhrtrichters bzw. des Nachfülltrichters nach oben zu transportieren. Auf diese Weise wird Pulversegregation in dem Bereich, der näher an den jeweiligen Pulverauslässen liegt, vermindert.
In einigen Ausführungsformen weist das Pulverzufuhrsystem Heizmatten oder Heizmäntel auf, die eine Außenfläche des Zufuhrtrichters und/oder des Nachfülltrichters zumindest teilweise bedecken. Durch Erwärmen des Pulvers wird die Feuchtigkeit in den Trichtern minimiert, wodurch Pulversegregation vermindert wird.
In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Vibrationsmotor mit einer Außenfläche des Nachfülltrichters verbunden. Dieser Vibrationsmotor kann betrieben werden, wenn eine Verstopfung festgestellt wird (das Durchflussmessgerät kann den Durchfluss von Pulver nicht erfassen, wenn die erste Durchflussregelungseinrichtung geöffnet ist und den Durchfluss ermöglicht) und wenn Pulver ausgetauscht und der Nachfülltrichter gereinigt werden soll. Alternativ oder in Kombination mit diesem Vibrationsmotor kann der Nachfülltrichter außerdem zusätzliche Gaseinlässe aufweisen, über die ein unter Druck stehendes Gas, vorzugsweise Luft, zum Reinigen des Trichters eingeleitet wird. Diese zusätzlichen Gaseinlässe können sich im Deckel des Nachfülltrichters oder in dessen Seitenwand befinden und an einen Luftkompressor angeschlossen sein.
In einigen Ausführungsformen können der Nachfülltrichter und der Zufuhrtrichter jeweilige Druckbegrenzungsventile aufweisen, um den maximalen Druck in beiden Trichtern zu regeln oder zu begrenzen.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Nachfüllen eines Zufuhrtrichters eines Pulverzufuhrsystems bereitzustellen. Das Verfahren weist das Bereitstellen eines vorstehend beschriebenen Pulverzufuhrsystems auf, wobei der Zufuhrtrichter mit einem Betriebsdruck beaufschlagt worden ist, um einer LMD-Vorrichtung Pulver zuzuführen. Wie vorstehend erwähnt wurde, kann sich die LMD-Vorrichtung auf eine beliebige Vorrichtung beziehen, wie z.B. Laserauftragsschweißmaschinen, Auftragsköpfe oder Düsen usw., die in der Lage sind, Metall- und/oder Keramikpulver durch Schmelzen auf ein Substrat aufzutragen.
Dann weist das Verfahren während des normalen Betriebs der Pulverzufuhreinrichtung des Pulverzufuhrsystems ferner die Schritte auf:

Empfangen eines ersten Nachfüllsignals an der Steuereinheit. Dieses Nachfüllsignal zeigt an, dass der Zufuhrtrichter nachgefüllt werden muss, und kann durch einen Benutzer ausgegeben werden, wenn er beispielsweise visuell feststellt, dass der Pulverfüllstand im Zufuhrtrichter niedrig ist, oder wenn der erste Füllstandsensor oder die Wägezellen des Zufuhrtrichters erfassen, dass der Pulverfüllstand im Trichter niedrig ist, z.B. unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt;
Beaufschlagen des Nachfülltrichters mit Druck durch den Druckgenerator, bis ein Druckpegel im Nachfülltrichter im Wesentlichen dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter gleicht. Das heißt, die Steuereinheit weist den Druckgenerator an, einen Druck im Nachfülltrichter zu erzeugen, der dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter gleicht;
Veranlassen des Durchflusses zumindest eines Teils des im Nachfülltrichter gespeicherten zusätzlichen Pulvers zum Zufuhrtrichter. Dies kann durch Öffnen der zwischen dem Zufuhrtrichter und dem Nachfülltrichter angeordneten Durchflussregelungseinrichtung und mit Hilfe der Schwerkraft, eines Fördermechanismus, eines geringen Druckunterschieds zwischen den beiden Trichtern oder einer Kombination davon veranlasst werden. Sobald die vordefinierte Menge an Pulver vom Nachfülltrichter zum Zufuhrtrichter gelangt ist, kann der Nachfülltrichter drucklos gemacht werden.

In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren das Beaufschlagen des Nachfülltrichters mit Druck auf, der gleich oder bis zu 1 bar, vorzugsweise bis zu 0,5 bar und noch bevorzugter von 0,2 bar, höher ist als der Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter.
In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren das Empfangen eines zweiten Nachfüllsignals an der Steuereinheit auf. Dieses zweite Nachfüllsignal zeigt an, dass der Pulverfüllstand im Nachfülltrichter niedrig ist. Dann veranlasst die Steuereinheit die Zufuhr von Pulver von einer externen Pulverquelle zum Nachfülltrichter. Die Steuereinheit kann das Einblasen von Gas veranlassen, um das Pulver von der externen Pulverquelle einzublasen, oder kann die Peristaltikpumpe aktivieren, um das Pulver zuzuführen. Darüber hinaus kann die Steuereinheit auch anweisen, die zwischen dem Nachfülltrichter und der externen Pulverquelle angeordnete zweite Durchflussregelungseinrichtung zu öffnen um die Zufuhr des Pulvers zu ermöglichen.
In einigen Ausführungsformen ist das zweite Nachfüllsignal ein vom zweiten Füllstandsensor empfangenes Signal, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Nachfülltrichter unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt, oder ein von einem Benutzer empfangenes Signal. In jedem dieser Fälle kann die Steuereinheit die entsprechenden Fördereinrichtungen aktivieren, um Pulver von der externen Pulverquelle zum Nachfülltrichter zu fördern, oder das Pulver kann manuell in den Nachfülltrichter nachgefüllt werden. Der zweite Füllstandsensor kann auch ein Stoppsignal ausgeben, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Nachfülltrichter einen „vollen“ Füllstand erreicht hat, so dass die Steuereinheit die externe Pulverquelle veranlassen kann, die Pulverzufuhr zum Nachfülltrichter zu beenden. Beispielsweise kann die Steuereinheit die zweite Durchflussregelungseinrichtung schließen oder das Gaseinblasen oder die Peristaltikpumpe deaktivieren.
Das hierin beschriebene Pulverzufuhrsystem und -verfahren hat mehrere Vorteile und/oder Unterschiede zu früheren Vorrichtungen und Techniken. Insbesondere werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt, die in der Lage sind, einen konstanten, kontinuierlichen, gleichmäßigen und gleichbleibenden Pulverdurchfluss bei den niedrigen Durchflussraten bereitzustellen, die für additive Fertigungsverfahren wie die LMD-Prozesse erforderlich sind. Dadurch werden Schwankungen im Pulverfluss vermieden, die zu Problemen bei der Qualitätskontrolle führen können. Außerdem wird die Vielzahl der im Stand der Technik verwendeten, ziemlich teuren Pulverzufuhreinrichtungen durch einen wesentlich preiswerteren Nachfülltrichter ersetzt, der die Pulverzufuhreinrichtung so oft wie nötig nachfüllen kann, ohne dass es zu Schwankungen im Pulverfluss kommt, der der additiven Fertigungsvorrichtung zugeführt wird. Schließlich vermeidet die hier vorgestellte Lösung, dass der Fertigungsprozess unterbrochen werden muss, um den Zufuhrtrichter nachzufüllen, indem der Trichter während des Normalbetriebs der Pulverzufuhreinrichtung nachgefüllt wird, ohne dass dessen normale Funktion beeinträchtigt wird. Diese Lösung ist besonders zweckmäßig für additive Fertigungsprozesse mit hoher Geschwindigkeit.
Figurenliste
Zur Vervollständigung der Beschreibung und zum besseren Verständnis der Erfindung ist ein Satz von Zeichnungen beigefügt. Die Zeichnungen sind Bestandteil der Beschreibung und zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, die nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend verstanden werden soll, sondern lediglich als Beispiel für eine mögliche Implementierung der Erfindung.
Die Zeichnungen bestehen aus den folgenden Figuren:

1 zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines Pulverzufuhrsystems gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung;
2A zeigt eine perspektivische Vorderansicht des Pulverzufuhrsystems von 1 mit einer ersten Ausführungsform eines Druckerzeugungs-Teilsystems;
2B zeigt eine perspektivische Vorderansicht des Pulverzufuhrsystems von 1 mit einer zweiten Ausführungsform eines Druckerzeugungs-Teilsystems;
3 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Deckels des Zufuhrtrichters der 1 und 2A;
4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Nachfülltrichters gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung;
5 zeigt eine Draufsicht auf den Deckel des Nachfülltrichters von 4;
6 zeigt eine Draufsicht des Nachfülltrichters von 4 im Schnitt entlang seiner Längsachse; und
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Nachfüllen eines Pulvertrichters eines Pulverzufuhrsystems gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines Pulverzufuhrsystems 100 gemäß einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass innerhalb des Umfangs des beschriebenen Systems 100 das System 100 der 1 zusätzliche Komponenten enthalten kann und dass einige der hierin beschriebenen Komponenten entfernt und/oder modifiziert werden können. Darüber hinaus ist die Implementierung des Systems 100 nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Das Pulverzufuhrsystem 100 weist eine Pulverzufuhreinrichtung 101 auf, insbesondere eine Pulverzufuhreinrichtung des Scheibentyps, der wiederum einen Zufuhrtrichter 102 zum Speichern des Pulvers und einen Schrank 103 aufweist, der den Zufuhrtrichter 102 trägt und die elektrischen, elektronischen und mechanischen Komponenten aufnimmt, die den Pulverzufuhrvorgang steuern. Der Zufuhrtrichter 102 besteht aus einem Behälter 104, in dem das Pulver gespeichert ist, und der Zufuhrscheibe 105 mit einer Ringnut (in dieser Figur nicht dargestellt). Durch eine Drehbewegung der Zufuhrscheibe 105 wird die mit Pulver gefüllte Rille auf die gegenüberliegende Seite des Behälters 104 transportiert, wobei das Trägergas, Argon oder Stickstoff, mit Hilfe einer Saugeinheit das Pulver aus der Rille ansaugt. Vorzugsweise könnte ein antistatischer Schlauch verwendet werden, um das Pulver in die Laserauftragsdüse zuzuführen (in dieser Figur nicht dargestellt). Der Zufuhrtrichter 102 weist ferner einen Rührer 106 auf, dessen Drehbewegung durch einen an seinem oberen Deckel 108 befindlichen Rotationsmotor 107 bewirkt wird. Der Rührer 106 dreht sich innerhalb des Behälters 104 in einem definierten Abstand von der Streueinheit (in dieser Figur nicht dargestellt) und trägt dazu bei, die kontinuierliche Zufuhr von Pulvern mit einem schlechten Fließ- oder Rieselverhalten zu gewährleisten. Es können verschiedenartige Rührer, z.B. Standardrührer oder Rührer mit Stiften oder kleinen Platten, verwendet werden.
Das unter Druck stehende Gas, das dem Zufuhrtrichter 102 zugeführt wird, wird durch einen Druckgenerator 111 wie beispielsweise eine Kolbenschneckenpumpe, einen Differenzdruckgenerator, der mit einer Gasquelle, z.B. Argon oder Stickstoff, oder der Druckflasche verbunden ist, in der das Gas gespeichert ist, unter Zwischenschaltung eines Druckmessgeräts zum Einstellen des Förderdrucks bereitgestellt. Dieser Druckgenerator 111 ist direkt mit dem Schrank 103 verbunden, so dass das unter Druck stehende Gas durch den Schrank 103 und über einen Gaseinlass (nicht dargestellt), der sich im unteren Teil des Zufuhrtrichters 102 befindet, in den Zufuhrtrichter 102 gelangt. Dieser Druckgenerator 111 erzeugt einen Druck von beispielsweise 6 bar, der vorzugsweise durch einen Druckregler auf 1,5 bar vermindert werden kann, bevor er in den Zufuhrtrichter 102 gelangt (andere Druckpegel könnten in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und der im Behälter 104 verwendeten Verstärkung durch den Druckgenerator 111 erzeugt und dem Zufuhrtrichter 102 zugeführt werden), was dem Betriebsdruckpegel der Pulverzufuhreinrichtung 101 für seinen Normalbetrieb entspricht. Das zum Erzeugen dieses Drucks eingeblasene Gas kann nur über die Absaugeinheit und über den Pulverauslass, über den das Pulver der Laserauftragsdüse zugeführt werden soll, aus dem Zufuhrtrichter 102 austreten. Der Zufuhrtrichter 102 weist auch einen Pulvereinlass 112 auf, über den das Pulver vom Nachfülltrichter 113 empfangen wird.
Der Nachfülltrichter 113 weist auch einen rotierenden Rührer auf (in dieser Figur nicht dargestellt), der den gleichen Aufbau haben kann wie der Rührer 106 des Zufuhrtrichters 102 oder anders aufgebaut sein kann. Der Rührer kann auch durch einen Drehmotor (in dieser Figur nicht dargestellt) angetrieben werden, der sich auf dem Deckel (nicht dargestellt) des Nachfülltrichters 113 befindet. Der Pulverauslass 114 des Nachfülltrichters 113 ist mit dem Pulvereinlass 112 des Zufuhrtrichters 102 über einen antistatischen Schlauch 115 und eine Durchflussregelungseinrichtung, insbesondere ein Quetschventil 116, verbunden, das zum Öffnen oder Schließen des Ventils Druckluft verwendet. Der Nachfülltrichter 113 weist ferner einen Gaseinlass 117 auf, der mit einem Schlauch 118 verbunden ist, der durch den gleichen Druckgenerator 111 gespeist wird. Alternativ können der Nachfülltrichter 113 und der Zufuhrtrichter 102 auch mit verschiedenen Druckgeneratoren verbunden sein.
Vorzugsweise kann der Nachfülltrichter 113 ein Volumen haben, das so gewählt ist, dass er bis zu 400 kg Pulver oder sogar mehr aufnehmen kann. Das im Nachfülltrichter 113 gespeicherte Pulver ist das gleiche Pulver, das im Behälter 104 des Zufuhrtrichters 102 gespeichert ist, und kann ein Metallpulver (rostfreier Stahl, Silber, Kupfer, Nickel, Titan, Kobalt, Metalloxide usw.), ein Keramikpulver (Karbide, Nitride, Oxidkeramik usw.) oder eine Kombination davon sein. Das Metallpulver kann aus einer einzelnen Metallkomponente, einer Kombination von Metallkomponenten, Legierungen oder einer beliebigen Kombination davon bestehen. Das Keramikpulver kann aus einer einzelnen keramischen Komponente oder aus einer Kombination von keramischen Komponenten bestehen.
Wenn die Steuereinheit 119 während des Normalbetriebs der Pulverzufuhreinrichtung ein Signal empfängt, das anzeigt, dass die Pulvermenge im Zufuhrtrichter 102 niedrig ist, weist sie den Druckgenerator 111 an, auch im Nachfülltrichter 113 einen Druck von 1,5 bar zu erzeugen, um die Druckpegel in beiden Trichtern 102, 113 auszugleichen. Dann deaktiviert die Steuereinheit 119 auch den mit dem Quetschventil 116 verbundenen Kompressor (nicht dargestellt) (das Quetschventil 116 wird mit Druck beaufschlagt, um es geschlossen zu halten), so dass es sich öffnet und zumindest ein Teil des im Nachfülltrichter 113 gespeicherten Pulvers durch die Wirkung der Schwerkraft in den Zufuhrtrichter 102 gelangen kann. Sobald der Nachfülltrichter 102 nachgefüllt worden ist, aktiviert die Steuereinheit 119 den Kompressor, um das Quetschventil 116 zu schließen, und stoppt den Druckgenerator 111, so dass dieser keinen Druck mehr im Nachfülltrichter 113 erzeugt. Alle Komponenten und Verbindungen des Pulverzufuhrsystems 100, durch die das Pulver fließt, sind aufgrund der hohen Toxizität des Pulvers luftdicht, um Leckagen zu vermeiden.
Daher wird der Behälter 104 des Zufuhrtrichters 102 durch den Nachfülltrichter 113 auf eine kontinuierliche Weise nachgefüllt, ohne dass es zu Druckschwankungen im Zufuhrtrichter 102 kommt, die Schwankungen in der Pulverdurchflussrate am Auslass der Pulverzufuhreinrichtung 101 verursachen könnten. Dadurch wird vermieden, dass der Pulverzufuhrprozess unterbrochen wird, der durch die Pulverzufuhreinrichtung 101 ausgeführt wird, um sie nachzufüllen, und somit wird auch vermieden, dass der additive Herstellungsprozess unterbrochen werden muss, der durch die LMD-Vorrichtung ausgeführt wird, die durch die Pulverzufuhreinrichtung 101 beschickt wird.
1 zeigt eine bestimmte Form und Anordnung der Elemente, die das Pulverzufuhrsystem 100 bilden, es sind aber auch andere Konfigurationen und Architekturen denkbar. Obwohl in 1 die Steuereinheit 119 als ein außerhalb des Schranks 103 angeordnetes unabhängiges Element dargestellt ist, kann es die gleiche Steuereinheit sein, die auch zum Managen der übrigen Elemente des Pulverzufuhrsystems 100 verwendet wird, und sie kann innerhalb des Schranks 103 aufgenommen sein.
Auch wenn in 1 eine scheibenförmige Pulverzufuhreinrichtung 101 und ein Quetschventil 116 dargestellt sind, können auch andere Pulverzufuhreinrichtungen, die auf anderen Fördertechnologien basieren, sowie andere Elektroventile oder pneumatische Ventile verwendet werden. Auch wenn in 1 nur ein Nachfülltrichter 113 mit einem einzigen Zufuhrtrichter 102 verbunden ist, könnten in anderen Ausführungsformen mehr als ein Nachfülltrichter 113 mit einem oder mehreren Zufuhrtrichtern 102 dergleichen Pulverzufuhreinrichtung 101 verbunden sein.
2A zeigt eine perspektivische Vorderansicht des Pulverzufuhrsystems 100 von 1 mit einer ersten Ausführungsform eines Druckerzeugungs-Teilsystems.
Diese Ausführungsform des Druckerzeugungs-Teilsystems weist den Druckgenerator 111, der direkt mit dem Schrank 103 verbunden ist, so dass das durch den Druckgenerator 111 bereitgestellte Druckgas mit einem Druck von 6 bar zugeführt und dann durch einen Druckregler (nicht dargestellt), der sich vorzugsweise innerhalb des Schranks 103 befindet, auf 1,5 bar vermindert wird, bevor es in den Zufuhrtrichter 102 einritt. Innerhalb des Schranks 103 gibt es eine Verbindung zwischen dem Druckregler und dem Zufuhrtrichter 102 zum Zuführen des Druckgases. Der Druckgenerator 111 wird außerdem durch die Steuereinheit 119 gesteuert.
In einer derartigen Ausführungsform weist der Zufuhrtrichter 102 einen Gasauslass 109 auf, der den Zufuhrtrichter 102 strömungstechnisch mit dem Nachfülltrichter 113 über ein zwischengeschaltetes Ventil 123, z.B. ein Elektroventil oder ein Magnetventil, verbindet, das dafür konfiguriert ist, den Durchfluss eines Fluids, insbesondere eines Gases wie Stickstoff oder Argon, entweder abzusperren oder zuzulassen. Wenn also die Steuereinheit 119 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass die Pulvermenge im Zufuhrtrichter 102 niedrig ist, weist sie das Ventil 123 an, den Durchfluss des Druckgases vom Druckgenerator 111 über den Zufuhrtrichter 102 in Richtung zum Nachfülltrichter 113 zuzulassen, bis der Druck im Nachfülltrichter 113 dem Druckpegel im Zufuhrtrichter 102 gleicht. Dann wird die Steuereinheit 119 auch den mit dem Quetschventil 116 verbundenen Kompressor (nicht dargestellt) deaktivieren (das Quetschventil wird mit Druck beaufschlagt, so dass es geschlossen gehalten wird), so dass sich das Quetschventil öffnet und zumindest ein Teil des im Nachfülltrichter 113 gespeicherten Pulvers durch Schwerkraft in den Zufuhrtrichter 102 gelangen kann. In einer derartigen Ausführungsform befindet sich außerdem am Auslass des Quetschventils 116 ein Durchflussmesser 122 zum Steuern der Pulvermenge, die zum Zufuhrtrichter 102 durchgelassen wird. Sobald der Zufuhrtrichter 102 nachgefüllt worden ist, aktiviert die Steuereinheit 119 den Kompressor, um das Quetschventil 116 zu schließen, und weist das Ventil 123 an, abzusperren.
2B zeigt eine perspektivische Vorderansicht des Pulverzufuhrsystems 100 von 1 mit einer zweiten Ausführungsform eines Druckerzeugungs-Teilsystems.
In dieser zweiten Ausführungsform des Druckerzeugungs-Teilsystems ist der Druckgenerator 111 direkt mit dem Schrank 103 verbunden, über den das Druckgas in den Zufuhrtrichter 102 gelangt. Der Druckgenerator 111 ist durch Zwischenschalten eines weiteren Ventils 124 (Elektroventil oder Magnetventil) auch direkt mit dem Nachfülltrichter 113 verbunden. Das durch den Druckgenerator 111 bereitgestellte Gas kann unter einem Druck von 6 bar stehen und vor dem Eintritt in den Zufuhrtrichter 102 durch einen Druckregler (nicht dargestellt), der sich innerhalb des Schranks 103 befindet oder in den Druckgenerator 111 integriert ist, auf 1,5 bar vermindert werden. Das Gas, das dem Nachfülltrichter 113 zugeführt wird, kann ebenfalls durch den Druckgenerator 111 mit einem Druck von 6 bar bereitgestellt werden und kann durch einen in den Druckgenerator 111 integrierten Druckregler (nicht dargestellt) auf 1,5 bar vermindert werden. Der Druckregler für das Gas, das dem Nachfülltrichter 113 zugeführt wird, kann derart konfiguriert sein, dass das Gas mit einem Druck bereitgestellt wird, der geringfügig höher ist als der Druck, mit dem es dem Zufuhrtrichter 102 zugeführt wird. Beispielsweise kann das Gas, das dem Nachfülltrichter 113 zugeführt wird, einen Druck im Bereich von 1,5 - 2,5 bar aufweisen. Dieser Druckunterschied zwischen den beiden Trichtern trägt dazu bei, dass das Pulver vom Nachfülltrichter 113 zum Zufuhrtrichter 102 gelangt. Der Druckgenerator 111 wird ebenfalls durch die Steuereinheit 119 gesteuert.
Wenn die Steuereinheit 119 ein Signal empfängt, das anzeigt, dass die Pulvermenge im Zufuhrtrichter 102 niedrig ist, weist sie das Ventil 124 an, den Durchfluss des Gases vom Druckgenerator 111 zum Nachfülltrichter 113 zuzulassen, bis der Druckpegel im Nachfülltrichter 113 gleich oder etwas höher ist als der Druckpegel im Zufuhrtrichter 102. Dann wird die Steuereinheit 119 auch den Kompressor (nicht dargestellt) deaktivieren, der mit dem Quetschventil 116 verbunden ist (das Quetschventil 116 wird mit Druck beaufschlagt, um es geschlossen zu halten), so dass es sich öffnet und zumindest ein Teil des im Nachfülltrichter 113 gespeicherten Pulvers durch die Wirkung der Schwerkraft in den Zufuhrtrichter 102 gelangen kann. In einer solchen Ausführungsform befindet sich am Auslass des Quetschventils 116 auch ein Durchflussmesser 122 zum Steuern der Pulvermenge, die zum Zufuhrtrichter 102 gelangt. Sobald der Zufuhrtrichter 102 nachgefüllt worden ist, aktiviert die Steuereinheit 119 den Kompressor, um das Quetschventil 116 zu schließen, und weist das Ventil 124 an, abzusperren.
3 zeigt eine perspektivische Detailansicht des Deckels 108 des Zufuhrtrichters 102 von 1 und 2A.
Der Deckel 108 weist den Drehmotor 107 zum Aktivieren des Rührers 106, den Pulvereinlass 112, der mit dem Schlauch 115 verbundenen, über den Pulver vom Nachfülltrichter 113 empfangen wird, einen Drucksensor 120 zum Überwachen des Druckpegels im Inneren des Behälters 104 des Zufuhrtrichters 102 und einen Füllstandsensor 121 zum Überwachen der Pulvermenge im Inneren des Behälters 104 des Zufuhrtrichters 102 auf. Der Drucksensor 120 kann ein Dehnungsmessstreifen, ein piezoelektrischer Sensor, ein kapazitiver Sensor, ein Manometer oder ein anderer Sensor sein, der in der Lage ist, den Druckpegel im Behälter 104 zu überwachen. Der Füllstandsensor 121 wiederum kann ein Ultraschall-Füllstandsensor, ein kapazitiver Füllstandsensor, ein optischer Füllstandsensor oder ein beliebiger anderer Sensor sein, der in der Lage ist, den Pulverfüllstand im Inneren des Behälters 104 zu überwachen. Der Drucksensor 120 und der Füllstandsensor 121 sind mit der Steuereinheit 119 kommunikativ verbunden, um beide Messungen kontinuierlich oder periodisch auszuführen. Der Deckel weist ferner einen Gasauslass 109 auf, der mit dem Schlauch 125 verbunden ist, über den das zuvor in den Zufuhrtrichter 102 eingeblasene Druckgas in Richtung zum Nachfülltrichter 113 strömt. In diesem Fall befindet sich stromabwärts von diesem Gasauslass 109 ein Ventil 123, das den Durchfluss des Druckgases in Richtung zum Nachfülltrichter 113 entweder absperrt oder zulässt.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Nachfülltrichters 200 gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass der Nachfülltrichter 200 von 4 zusätzliche Komponenten aufweisen kann und dass einige der hierin beschriebenen Komponenten entfernt und/oder modifiziert werden können, ohne vom technischen Umfang des beschriebenen Nachfülltrichters 200 abzuweichen. Außerdem ist die Implementierung des Nachfülltrichters 200 nicht auf diese Ausführungsform beschränkt.
Der Nachfülltrichter 200 weist einen Behälter 201 zum Speichern des Pulvers auf, der einen oberen zylindrischen Abschnitt 202 und einen unteren umgekehrt kegelstumpfförmigen Abschnitt 203 aufweist, der in den Pulverauslass 204 des Trichters 200 mündet, über den das Pulver über den entsprechenden Schlauch, die entsprechende Leitung oder das entsprechende Rohr dem Zufuhrtrichter zugeführt wird, wie in den 1 und 2 dargestellt ist. Der Nachfülltrichter 200 weist ferner eine Tragestruktur 205 auf, die derart gestaltet ist, dass sie auf einer ebenen Fläche, z.B. dem Boden, aufliegt. Diese Tragestruktur ist vollständig optional und kann unterschiedliche Designs haben. Der Deckel 206 des Nachfülltrichters 200 weist einen ersten Pulvereinlass 207 (der mit einem abnehmbaren Schraubverschluss dargestellt ist), über den Pulver durch einen Benutzer manuell zugeführt werden kann, und einen zweiten Pulvereinlass 211 auf, über den Pulver von einer externen Pulverquelle empfangen werden kann. Diese externe Pulverquelle kann ein Pulverdepot sein, von dem Pulver durch Schwerkraft, durch Einblasen des Pulvers (z.B. durch Einblasen eines Gases) oder durch eine andere Fördereinrichtung wie eine Peristaltikpumpe oder eine andere Vorrichtung oder ein anderes System, das in der Lage ist, das Pulver von der externen Quelle in den Nachfülltrichter 200 zu befördern, zugeführt wird. Der Deckel 206 weist außerdem einen Drehmotor 208 zum Betätigen des Rührers (nicht dargestellt), Schrauben 209 zum Verbinden des Deckels 206 mit dem Behälter 201, einen Drucksensor 210, eine Vielzahl von Gaseinlässen 212, über die ein Druckgas, im Allgemeinen Luft, eingeblasen wird, um den Behälter 201 zu reinigen, wenn das verwendete Pulver durch ein anderes Pulver ersetzt werden soll, einen Gaseinlass 213, der mit einem Schlauch 214 verbunden ist, über den ein Gas wie Argon oder Stickstoff eingeleitet wird, um das Innere des Behälters 201 unter Druck zu setzen, ein Überdruckventil 215 zum Schützen des unter Druck stehenden Behälters 201 während eines Überdruckereignisses und einen Füllstandsensor (in dieser Figur nicht dargestellt) auf. Außerdem ist ein Vibrationsmotor 216 mit der Außenfläche des Behälters 201 verbunden, der betätigt werden kann, wenn eine Verstopfung festgestellt wird (ein stromabwärts vom Pulverauslass 204 angeordneter Durchflussmesser kann den Durchfluss von Pulver möglicherweise nicht feststellen) und wenn Pulver ausgetauscht und der Behälter 201 gereinigt werden soll.
5 zeigt eine Draufsicht auf den Deckel 206 des Nachfülltrichters 200 von 4. Der Deckel 206 des Nachfülltrichters 200 weist den manuellen Pulvereinlass 207, den automatischen Pulvereinlass 211, den Drehmotor 208, acht Schrauben 209, den Drucksensor 210, vier Gaseinlässe 212 für Reinigungszwecke, den Gaseinlass 213 zur Druckbeaufschlagung des Inneren des Behälters 201, das Überdruckventil 215 und den Füllstandsensor 217 auf. Der Drucksensor und der Füllstandsensor können die gleiche Art von Sensoren sein, die für den Deckel des Zufuhrtrichters in 3 beschrieben wurden.
Obgleich die 4 und 5 eine bestimmte Struktur und eine bestimmte Anordnung der Elemente des Nachfülltrichters 113 zeigen, können in einigen anderen Ausführungsformen eine andere Anzahl von Gaseinlässen, Pulvereinlässen, Sensoren oder Schrauben vorhanden sein, und diese können an anderen Stellen des Trichters 113 angeordnet sein. So können beispielsweise Gaseinlässe 212 für Reinigungszwecke in der Seitenwand des zylindrischen Abschnitts 202 des Behälters 201 angeordnet sein.
6 zeigt eine Schnittansicht des Nachfülltrichters 200 von 4 entlang seiner Längsachse.
Dargestellt ist der Rührer 219 im Inneren des Behälters 201, der einen Längsabschnitt 220 mit einem Rührelement 221 an seinem unteren Ende aufweist und an seinem gegenüberliegenden Ende mit einer Drehachse 218 verbunden ist. Das Rührelement 221 besteht aus zwei umgekehrten kegelstumpfförmigen Abschnitten, die miteinander verbunden sind. Die Drehachse 218 ist mit dem Drehmotor 208 verbunden und wird durch diesen angetrieben. Zwischen einem kreisförmigen Flansch 223, der den oberen Rand des Behälters 201 umgibt, und dem Deckel 206 befindet sich eine Dichtung zum hermetischen Abdichten des Behälters 201. Außerdem hat der Deckel 206 eine Dichtungsstruktur 222 mit einer Öffnung, durch die die Drehachse 218 sich erstreckt. Zwischen der Dichtungsstruktur 222 und der Drehachse 218 befindet sich eine weitere Dichtung, um zu verhindern, dass Pulver in den durch die Dichtungsstruktur 222 und die Innenfläche des Deckels 206 definierten Innenraum eindringt, und um dadurch zu verhindern, dass Pulver in den Drehmotor 208 gelangt. Der Rührer 219 dreht sich in der Nähe der Auslassöffnung 204 des umgekehrten kegelstumpfförmigen Abschnitts 203 des Behälters 201, um Pulversegregation zu minimieren und eine kontinuierliche Zufuhr von Pulvern zu gewährleisten, die nicht gut fließen oder dazu neigen, schlecht zu rieseln.
Obwohl 6 den Rührer 219 mit dieser spezifischen Geometrie und Form zeigt, können auch andere Rührer mit anderen Geometrien und Formen verwendet werden. Beispielsweise kann der Rührer an seinem freien Ende Stifte oder kleine Platten aufweisen oder eine Förderschnecke sein, die das Pulver vom Bereich in der Nähe der Auslassöffnung 204 nach oben transportiert. Andere Architekturen und Ausführungen des Rührers sind denkbar, vorausgesetzt, dass sie in der Lage sind, Verstopfungen und Pulversegregation zu minimieren und eine kontinuierliche Zufuhr von Pulvern zu gewährleisten. Darüber hinaus können die Architekturen und Designs des Rührers des Nachfülltrichters 200 mit den Architekturen und Designs des Rührers des Zufuhrtrichters identisch sein oder sich davon unterscheiden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Nachfüllen eines Pulvertrichters eines Pulverzufuhrsystems gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung.
In Schritt 301 des Verfahrens 300 wird ein vorstehend beschriebenes Pulverzufuhrsystem bereitgestellt. Der Zufuhrtrichter des Pulverzufuhrsystems wird mit dem Betriebsdruckpegel der Pulverzufuhreinrichtung, z.B. 1,5 bar, unter Druck gesetzt, so dass die Pulverzufuhreinrichtung in der Lage ist, normal zu arbeiten und die entsprechende Laserauftragsschweißvorrichtung, die den additiven Herstellungsprozess ausführt, mit Pulver zu versorgen.
In Schritt 302 des Verfahrens 300 wird während des normalen Betriebs der Pulverzufuhreinrichtung des Pulverzufuhrsystems ein erstes Nachfüllsignal an der Steuereinheit empfangen. Dieses erste Nachfüllsignal zeigt an, dass die Pulvermenge im Zufuhrtrichter niedrig ist, so dass er nachgefüllt werden muss. Das erste Nachfüllsignal kann durch einen Benutzer ausgegeben werden, wenn er beispielsweise visuell feststellt, dass der Pulverfüllstand im Zufuhrtrichter niedrig ist, oder wenn der Füllstandsensor oder die Wägezellen des Zufuhrtrichters erfassen, dass der Pulverfüllstand im Trichter niedrig ist, z.B. unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt.
In Schritt 303 des Verfahrens 300 weist die Steuereinheit den Druckgenerator an, den Nachfülltrichter mit Druck zu beaufschlagen, so dass der Druckpegel im Nachfülltrichter im Wesentlichen dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter gleicht. Insbesondere kann die Steuereinheit die entsprechenden Durchflussregelungseinrichtungen, z.B. Elektroventile oder pneumatische Ventile, die zwischen dem Druckgenerator und dem Nachfülltrichter angeordnet sind, anweisen, den Durchfluss des durch den Druckgenerator erzeugten Druckgases zum Nachfülltrichter zu ermöglichen, bis der Druckpegel in beiden Trichtern im Wesentlichen gleich ist. In einigen Ausführungsformen kann der Druck im Nachfülltrichter um bis zu 1 bar, vorzugsweise um bis zu 0,5 bar und noch bevorzugter um bis zu 0,2 bar höher sein als der Betriebsdruck im Zufuhrtrichter. Je größer der Druckunterschied zwischen den beiden Trichtern ist, desto leichter lässt sich das Pulver vom Nachfülltrichter in den Zufuhrtrichter fördern, aber es können auch umso mehr Schwankungen im Pulver im Zufuhrtrichter erzeugt werden, die den Pulverfluss beeinträchtigen können.
In Schritt 304 des Verfahrens 300 veranlasst die Steuereinheit den Durchfluss zumindest eines Teils des im Nachfülltrichter gespeicherten zusätzlichen Pulvers zum Zufuhrtrichter. Die Steuereinheit kann diesen Durchlass durch Öffnen der Durchflussregelungseinrichtung, z.B. eines Quetschventils, das im Schlauch, in der Leitung oder im Rohr angeordnet ist, das/der/die die beiden Trichter verbindet, veranlassen. Die Schwerkraft, eine Fördereinrichtung, der Druckunterschied zwischen den beiden Trichtern oder eine Kombination davon wird dazu beitragen, dass das Pulver über den Schlauch, die Leitung oder das Rohr von einem Trichter zum anderen gelangt. Der Füllstandsensor oder die Wägezellen des Zufuhrtrichters können auch ein Stoppsignal ausgeben, das anzeigt, dass der Füllstand des Pulvers im Zufuhrtrichter einen „vollen“ Füllstand erreicht hat, so dass die Steuereinheit die Durchflussregelungseinrichtung schließen kann, um die Pulverzufuhr zum Zufuhrtrichter zu stoppen.
Dieser Nachfüllvorgang wird während des normalen Zufuhrvorgangs der Pulverzufuhreinrichtung ausgeführt, ohne dass der durch die entsprechende Laserauftragsschweißvorrichtung ausgeführte additive Fertigungsprozess unterbrochen werden muss. Nach Abschluss des Nachfüllvorgangs kann der Nachfülltrichter druckentlastet werden.
Das Überdruckventil des Nachfülltrichters wird sicherstellen, dass in Schritt 303 des Verfahrens 300 keine Überdrücke im Nachfülltrichter erzeugt werden.
Zusätzlich kann die Steuereinheit ein zweites Nachfüllsignal empfangen, das anzeigt, dass der Pulverfüllstand im Nachfülltrichter niedrig ist, insbesondere unter einem zweiten vordefinierten Schwellenwert liegt. Dieses Signal kann durch einen Füllstandsensor oder Wägezellen des Nachfülltrichters oder direkt durch einen Benutzer erzeugt werden. Daraufhin kann die Steuereinheit den Pulverdurchfluss von einer externen Pulverquelle zum Nachfülltrichter veranlassen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit die entsprechenden Fördereinrichtungen aktivieren, um Pulver von der externen Pulverquelle zum Nachfülltrichter zu fördern. Der Füllstandsensor oder die Wägezellen können auch ein Stoppsignal ausgeben, das anzeigt, dass der Pulverfüllstand im Nachfülltrichter einen „vollen“ Füllstand erreicht hat, so dass die Steuereinheit die externe Pulverquelle veranlassen kann, die Pulverzufuhr zum Nachfülltrichter zu stoppen. Alternativ kann ein Benutzer in Antwort auf das zweite Nachfüllsignal, das eine Kontrollleuchte aufleuchten lassen oder einen Ton oder ein anderes Warnsignal erzeugen kann, den Nachfülltrichter manuell mit Pulver befüllen. Das Stoppsignal kann ein weiteres Warnsignal erzeugen oder das zuvor aktivierte Warnsignal deaktivieren, so dass der Benutzer darüber informiert wird, dass der Nachfülltrichter bereits voll ist und er das manuelle Befüllen des Nachfülltrichters beenden kann. Während des Befüllungsvorgangs des Nachfülltrichters werden die zwischen den Trichtern angeordneten Durchflussregelungseinrichtungen geschlossen, um zu verhindern, dass der Befüllungsvorgang Turbulenzen oder Druckänderungen im Inneren des Nachfülltrichters hervorruft.
In diesem Text sind der Begriff „aufweisen“ und seine Ableitungen (wie z.B. „aufweist“ usw.) nicht in einem ausschließenden Sinne zu verstehen, d.h. diese Begriffe sollen nicht derart interpretiert werden, dass sie die Möglichkeit ausschließen, dass das, was beschrieben und definiert ist, weitere Elemente, Schritte usw. umfassen kann. Der hier verwendete Begriff „ein weiteres“ oder „ein anderes“ ist definiert als mindestens ein zweites oder mehr. Der hier verwendete Begriff „verbunden“ ist definiert als verbunden, entweder direkt, ohne dazwischenliegende Elemente, oder indirekt mit mindestens einem dazwischenliegenden Element, sofern nicht anders angegeben ist. Zwei Elemente können mechanisch, elektrisch oder kommunikativ über einen Kommunikationskanal, einen Pfad, ein Netzwerk oder ein System miteinander verbunden sein.
Die Erfindung ist offensichtlich nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle Variationen, die durch irgendwelche Fachleute innerhalb des in den Ansprüchen definierten allgemeinen Umfangs der Erfindung in Betracht gezogen werden können (z.B. in Bezug auf die Wahl der Materialien, Abmessungen, Komponenten, Konfiguration usw.).

Claims

Pulverzufuhrsystem (100) mit: einer Pulverzufuhreinrichtung (101), die mit einer Laser-Metallauftragsvorrichtung verbindbar ist, wobei die Pulverzufuhreinrichtung einen Zufuhrtrichter (102) zum Speichern von Pulver, einen ersten Pulverauslass, über den das Pulver der Laser-Metallauftragsvorrichtung zugeführt werden soll, und einen ersten Pulvereinlass (112) aufweist; mindestens einem Nachfülltrichter (103), der dafür konfiguriert ist, zusätzliches Pulver zu speichern und einen zweiten Pulverauslass (114) aufweist, der mit dem ersten Pulvereinlass (112) in Fluidverbindung steht und über den das zusätzliche Pulver dem Zufuhrtrichter (102) zugeführt wird; einem Druckgenerator (111), der dafür konfiguriert ist, einen Betriebsdruckpegel im Inneren des Zufuhrtrichters (102) zu erzeugen; und einer Steuereinheit (119), die dafür konfiguriert ist, während des Normalbetriebs der Pulverzufuhreinrichtung (101) und bei Empfang eines ersten Nachfüllsignals den Druckgenerator (111) zu veranlassen, einen Druckpegel innerhalb des Nachfülltrichters (113) zu erzeugen, der im Wesentlichen dem Betriebsdruckpegel im Zufuhrtrichter (102) gleicht, und den Durchfluss mindestens eines Teils des zusätzlichen Pulvers vom Nachfülltrichter (113) zum Zufuhrtrichter (102) zu veranlassen.
Pulverzufuhrsystem (100) nach Anspruch 1, mit einer zwischen dem Zufuhrtrichter (102) und dem Nachfülltrichter (113) angeordneten ersten Durchflussregelungseinrichtung (116) zum Regeln des Durchflusses des zusätzlichen Pulvers, wobei die erste Durchflussregelungseinrichtung (116) vorzugsweise ein Magnetventil oder ein pneumatisches Ventil und noch bevorzugter ein Membranmagnetventil oder ein pneumatisches Membranventil ist.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem zwischen dem Zufuhrtrichter (102) und dem Nachfülltrichter (113), vorzugsweise stromabwärts von der ersten Durchflussregelungseinrichtung (116), angeordneten ersten Durchflussmesser (122) zum Überwachen der Menge des zum Zufuhrtrichter (102) durchgelassenen zusätzlichen Pulvers.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem am Auslass der Pulverzufuhreinrichtung (102) angeordneten zweiten Durchflussmesser zum Überwachen einer Pulverdurchflussrate, die der Laser-Metallauftragsvorrichtung zugeführt werden soll.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulverzufuhreinrichtung (101) einen ersten Füllstandsensor (121) zum Überwachen des Pulverfüllstands im Zufuhrtrichter (102) aufweist.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Nachfüllsignal ein vom ersten Füllstandsensor (121) empfangenes Signal ist, das anzeigt, dass der Pulverfüllstand im Zufuhrtrichter (102) unter einem ersten vordefinierten Schwellenwert liegt, oder ein von einem Benutzer empfangenes Signal.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nachfülltrichter (113, 200) einen zweiten Pulvereinlass (211) aufweist, über den Pulver von einer externen Pulverquelle zugeführt wird.
Pulverzufuhrsystem (100) nach Anspruch 7, mit einer stromaufwärts vom zweiten Pulvereinlass (211) angeordneten zweiten Durchflussregelungseinrichtung zum Regeln des Pulverdurchflusses von der externen Pulverquelle, wobei die zweite Durchflussregelungseinrichtung (211) vorzugsweise ein Magnetventil oder ein pneumatisches Ventil ist, und noch bevorzugter ein Membranmagnetventil oder ein pneumatisches Membranventil.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Nachfülltrichter (113, 200) einen zweiten Füllstandsensor (217) zum Überwachen des Pulverfüllstands innerhalb des Nachfülltrichters (113, 200) aufweist.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pulverzufuhreinrichtung (101) einen ersten Drucksensor (120) zum Überwachen des Druckpegels innerhalb des Zufuhrtrichters (102) aufweist und der Nachfülltrichter (113, 200) einen zweiten Drucksensor (210) zum Überwachen des Druckpegels innerhalb des Nachfülltrichters (113, 200) aufweist.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zufuhrtrichter (102) und der Nachfülltrichter (113) einen ersten bzw. einen zweiten Gaseinlass (117) aufweisen, die mit dem Druckgenerator (111) in Fluidverbindung stehen.
Pulverzufuhrsystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zufuhrtrichter (102) und der Nachfülltrichter (113) dafür konfiguriert sind, Metallpulver, Keramikpulver oder eine Kombination davon zu speichern.