DE102006010928A1

DE102006010928A1 - Recycelsystem für Lasersinterpulver

Info

Publication number: DE102006010928A1
Application number: DE200610010928
Authority: DE
Inventors: Brian David Round Rock Cox
Original assignee: 3D Systems Inc
Current assignee: 3D Systems Inc
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2006-11-30
Also published as: JP2006248231A; US20060214335A1; JP4745867B2; US7887316B2; EP1700686A3; EP1700686B1; EP1700686A2; US20090169664A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden von dreidimensionalen Objekten durch Lasersintern, welche Erfindung die Verwendung von pneumatischer Förderung in dichter Phase beinhaltet, um intern überschüssiges Pulver zu recyceln und um überschüssiges, wiedergewonnenes und neues Pulver gründlich zu mischen, um eine einheitliche Pulverzufuhrmischung zu einer Lasersintermaschine bereitzustellen. Überschüssiges Pulver von der Lasersintermaschine wird wiedergewonnen und zurück in die Lasersintermaschine zur Wiederverwendung recycelt. Dieser Ansatz führt zu einem kompakten und zuverlässigen Pulverrecycelsystem, welches ein vollständiges Mischen bietet und eine minimale Abnutzung der gehandhabten Pulver.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Freiformherstellung und ist insbesondere auf die Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern gerichtet.
Das Gebiet der Freiformherstellung von Teilen hat in den vergangen Jahren erhebliche Verbesserungen in der Bereitstellung von hochfesten, hochdichten Teilen für die Verwendung in der Design und Pilotherstellung von vielen nützlichen Gegenständen gemacht. Die Freiformherstellung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Gegenständen direkt aus Computer-Aided-Design (CAD) Datenbanken in einer automatisierten Weise, anstatt durch konventionelle maschinelle Bearbeitung von Prototyp-Gegenständen anhand von Konstruktionszeichnungen. Als ein Ergebnis wurde die Zeit, welche zur Herstellung von Prototyp-Teilen anhand von Konstruktionszeichnungen benötigt wurde, von einigen Wochen auf wenige Stunden reduziert.
Ein Beispiel für den technischen Hintergrund einer Freiformherstellungstechnologie ist das selektive Lasersinterverfahren, welches in von 3D Systems Inc. verfügbaren Systemen angewandt wird, wobei Gegenstände aus einem mittels Laser schmelzbaren Pulver Schicht für Schicht produziert werden. In diesen Verfahren wird eine dünne Schicht von Pulver ausgegeben und dann mittels Laserenergie geschmolzen, verflüssigt oder gesintert, wobei die Energie direkt auf diejenigen Bereiche des Pulvers gerichtet wird, die einem Querschnitt des Gegenstands entsprechen. Konventionelle selektive Lasersintersysteme, wie zum Beispiel das Vanguard System, welches von 3D Systems, Inc., erhältlich ist, positionieren den Laserstrahl mittels eines optischen Spiegelsystems bei dem galvanometergetriebene Spiegel verwendet werden, die den Laserstrahl ablenken. Die Ablenkung des Laserstrahls wird, in Kombination mit einer Modulation des Lasers selbst, derart gesteuert, das Laserenergie auf diejenigen Bereiche der schmelzbaren Pulverschicht gerichtet wird, die dem Querschnitt des Gegenstands entsprechen, der in dieser Schicht geformt werden soll. Das computerbasierte Steuersystem ist mit Informationen programmiert, welche die gewünschten Grenzen einer Mehrzahl von aufeinander folgenden Querschnitten des zu produzierenden Teils entsprechen. Der Laser kann über das Pulver in einer Rasterweise geführt werden, wobei in Kombination damit eine Modulation des Lasers durchgeführt wird, oder der Laser kann in einer Vektorweise geführt werden. In einigen Anwendungen werden Querschnitte von Gegenständen in einer Pulverschicht durch schmelzen von Pulver entlang des Außenumrisses des Querschnittes in Vektorweise gebildet, entweder vor oder nach einem Raster-Scan, der den Bereich innerhalb des vektorgezeichneten Umrisses „ausfüllt". In jedem Fall wird anschließend eine zusätzliche Pulverschicht ausgegeben, nachdem das selektive schmelzen von Pulver in einer bestimmten Schicht durchgeführt wurde, und das Verfahren wird wiederholt, wobei geschmolzene Teile von späteren Schichten mit geschmolzenen Teilen von vorhergehenden Schichten verschmelzen (wie es für den gewünschten Gegenstand jeweils geeignet ist) bis der Gegenstand fertig ist.

Eine detaillierte Beschreibung der selektiven Lasersintertechnologie kann in den US Patenten Nr. 4,863,538, U.S. Patent Nr. 5,132,143, und U.S. Patent Nr. 4,944,817, gefunden werden, welche alle zum Board of Regents, Universität von Texas System gehören und ebenso im U.S. Patent Nr. 4,247,508, Householder, welche alle durch Bezugnahme hierin aufgenommen werden.

Die zunehmende Verwendung der selektiven Lasersintertechnologie, insbesondere in Kleinserienfertigungen und bei der Verwendung mehrerer Maschinen bei großen Serviceanbietern, haben zu dem Bedürfnis für stärker automatisierte Mittel zur Zuführung, Entfernung und dem Recycling der verwendeten Pulver geführt. Ein automatisiertes Pulver-Recycling kann die manuelle Handhabung von Pulvern erheblich reduzieren, den Kontakt mit diesen Pulvern reduzieren und die Konsistenz der Pulver verbessern, die der Sintervorrichtung zugeführt werden. Es wurden schon einige automatisierte Systeme beschrieben und kommerziell angewendet. Das deutsche Gebrauchsmuster DE 201 07 262 U1 beschreibt ein solches System, dass einige dieser Anforderungen anspricht. Diese Systeme nehmen jedoch einen großen Raum in der Werkshalle ein und sie können teuer sein, da sie große Mengen an Pulver handhaben müssen und mechanische Transportsysteme verwenden, wie z.B. Schneckenförderer, um dass Pulver zu bewegen. Die Verwendung von mechanischen Schneckenförderern kann zu Abnutzungsproblemen bei einigen der Pulver führen. Diese Systeme haben häufig auch schlechte Mischeigenschaften für unterschiedliche Pulverqualitäten, was zu Artefakten in den produzierten Teilen führt. Daher besteht eine Notwendigkeit die mit der Handhabung und dem Recycling von Pulvern verbundenen Probleme mit kompakteren, zuverlässigeren und kostengünstigeren Systemen anzugehen, welche nicht die oben erwähnten Nachteile der Pulverabnutzung und der fragwürdigen Mischqualität aufweisen. Diese Probleme werden mit der Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass überschüssiges Pulver in einer Lasersintermaschine zur Wiederverwendung recycelt wird.

Es ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein Pulverrecycelsystem bereitgestellt werden, welches Pulvermaterial recycelt und frisches Pulver in einer Lasersintermaschine hinzumischt, um eine geringe Pulverabnutzung und eine gute Mischung des Pulvers zu erreichen.

Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem in Verbindung mit der Lasersintervorrichtung arbeitet, um dreidimensionale Gegenstände zu Erzeugen, wobei ein Pulvertransport zwischen diesen mittels einer pneumatischen Förderung in dichter Phase (dense phase conceying) erfolgt.

Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem eine pneumatische Fördervorrichtung für eine dichte Phase (dense phase conveying) enthält, welche wenigstens einen oberen Empfangsbereich aufweist, um zu förderndes Pulver aufzunehmen, einen unteren Übertragungsbereich, der zu einem Auslass angewinkelt ist, einer porösen Platte in dem unteren Bereich, und einen Eingang eines Fördergases, welches durch die poröse Platte strömt

Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Pulver-Recycel-System eine Trennstation (breakout station) mit wenigstens einem Arbeitstisch enthält um wieder gewonnenes Pulver und verbrauchtes Pulver von fertigen Teilen zu trennen, eine Vorrichtung, um Recycelpulver und verbrauchtes Pulver zu verarbeiten und zu trennen, und eine pneumatische Fördereinrichtung für eine dichte Phase, um Recycelpulver zu der Pulver-Verarbeitungseinheit zu fördern.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem einen Pulverzufuhrtrichter enthält, mit wenigstens einem Einlass, um zugeführtes Pulver nahe einer Trichterkammer zu empfangen, eine zylindrische rotierbare Walze, welche benachbart zu der Trichterkammer positioniert ist, sowie einen Walzenförderer, der parallel und benachbart zu der Walze positioniert ist, um einen definierten Spalt zu erzeugen, durch welchen Pulver von der Trichterkammer fließt, wenn die Walze rotiert.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem eine HTML Browser Anwendung zum Fernbetrieb enthält, um auf das System aus der Ferne zuzugreifen, um Systemfunktionen durchzuführen, den Status von Schlüsselsystemvariablen anzuzeigen und Warn-Emails zu versenden.

Es ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem Mischbehälter enthält, die in einem geschlossenen Kreislaufsystem vor dem Portionieren verwendet werden, um pneumatisch separat neues oder frisches Pulver und wiedergewonnenes Pulver zu mischen und dann die gemischten Pulver mit überschüssigem Pulver zu mischen.

Es ist noch ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass eine oder mehrere Wägebehälter in Verbindung mit Wiegevorrichtungen in dem Pulverrecycelsystem verwendet werden, um ein genaues Proportionieren und Mischen von neuem oder frischem Pulver, wiedergewonnenem Pulver und überschüssigem Pulver zu erzielen.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Pulverrecycelsystem exzellente Mischungen von frischem oder neuem Pulver mit überschüssigem und wiedergewonnenem Pulver erreicht, um den Pulververlust zu reduzieren und eine einheitliche und gleichförmige Pulverqualität zu erreichen, die in einem Lasersintersystem verwendet werden kann.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die von einer schlechten Pulvermischung resultierenden Teilartefakte in Teilen reduziert werden, die in einer Lasersintermaschine produziert werden, die dass Pulverrecycelsystem verwendet.

Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein automatisiertes Pulverhandhabungssystem für eine Lasersintermaschine bei niedrigen Kosten bereitgestellt wird.

Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass gleichförmigere neue Pulver und wiedergewonnene Pulver erreicht werden.

Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass ein kompaktes und zuverlässiges Pulverhandhabungssystem bereitgestellt wird, welches überschüssiges Pulver innerhalb einer Lasersintermaschine zur Wiederverwendung recycelt.

Es ist noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass eine Pulverstratefizierung zwischen neuem oder frischem, wiedergewonnenem und überschüssigem Pulver in gemischten Pulvern innerhalb des Pulverrecycelsystems eliminiert oder minimiert wird.

Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, in dem eine Lasersintervorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von dreidimensionalen Gegenständen aus einem Pulver bereitgestellt wird, unter Verwendung eines Pulverrecycelsystems. Die Lasersintervorrichtung enthält wenigstens eine Prozesskammer, die eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweist, in welcher ein additiver Aufbauprozess durchgeführt wird; einen Pulverzufuhrtrichter, welcher an der ersten Seite der Kammer angeordnet ist, um eine Quantität von Pulver in die Kammer zuzuführen; ein Verteilmittel, welches benachbart zu dem Zufuhrtrichter angeordnet ist, um die Quantität von Pulver in der Kammer zu verteilen; eine Empfangsvorrichtung die benachbart zu wenigstens einer Seite der Prozesskammer angeordnet ist, um überschüssiges Pulver zu empfangen, welches durch das Verteilmittel zugeführt wird; und eine Fördervorrichtung innerhalb der Lasersintervorrichtung, um dass überschüssige Pulver zu dem Pulverzufuhrtrichter zurück zu führen. Das Verfahren zur Erzeugung eines Betts von Pulver, welches dreidimensionale Gegenstände umgibt, enthält wenigstens die folgenden Schritte: Ablagern eines ersten Teils von Pulver von einem Zufuhrtrichter über ein Zielgebiet von einer ersten Seite zu einer zweiten Seite, Sammeln des Überschusses des ersten Teils von Pulver als Überschuss an der zweiten Seite des Zielgebiets; Zuführen eines zweiten Teils von Pulver über das Zielgebiet von der zweiten Seite zu der ersten Seite, Sammeln des Überschusses des zweiten Teils des Pulver als Überschuss an der ersten Seite des Zielgebiets, und pneumatisches Fördern des Überschusses von der ersten Seite und der zweiten Seite des Zielgebietes zurück zu dem Zufuhrtrichter.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei Betrachtung der folgenden detaillierten Offenbarung der Erfindung klar werden, insbesondere wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gesehen werden, worin:
1 eine schematische Ansicht einer konventionellen Lasersintermaschine nach dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische frontale Aufrissansicht einer konventionellen Lasersintermaschine nach dem Stand der Technik ist, wobei einige der beteiligten Mechanismen gezeigt sind;
3 eine schematische, frontale Aufrissansicht einer Lasersintermaschine mit einem oben liegenden Zufuhrmechanismus ist;
4 eine schematische Ansicht eines Pulverrecycelsystems nach dem Stand der Technik ist;
5 eine schematische Übersicht des Pulverrecycelsystems der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine schematische Ansicht der Pulververarbeitungseinheit und des Pulverrecycelsystemsinnerhalb des gesamten Pulverhandhabungssystems ist;
7 eine schematische Ansicht einer Breakout-Station (Trennstation) ist;
8 eine Querschnittsansicht eines Pulverzufuhrtrichters ist;
9 eine Darstellung des unteren Bereichs der Pulververarbeitungseinheit ist;
10 eine Querschnittsansicht des Überschusscontainers und eines Recyceltransporters für eine dichte Phase ist, um überschüssiges Pulvermaterial von innerhalb der Lasersintermaschine wiederzugewinnen und zur Wiederverwendung zu transportieren;
11 eine Querschnittsansicht eines L-Ventils ist;
12 eine Querschnittsansicht des oberen Zuführers eines Transportsystems ist; und
13 eine Querschnittsansicht eines Transporters für eine dichte Phase ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt als Hintergrundinformation ein konventionelles Lasersintersystem, welches Allgemein mit dem Bezugszeichen 100 bezeichnet wird, und zurzeit von 3D Systems, Inc. of Valencia, Kalifornien verkauft wird. 1 ist eine Darstellung, bei der aus Gründen der Klarheit keine Türen dargestellt sind. Ein Kohlendioxyd-Laser 108 und sein zugehöriges Scansystem 114 sind in einer Einheit über einer Prozesskammer 102 montiert dargestellt, welche eine obere Schicht eines Pulverbetts 132 enthält, zwei Zufuhrpulverkartuschen 124, 126 und eine Verteilwalze 130. Die Prozesskammer 102 hält die für die Herstellung des Gegenstands geeignete Temperatur und Atmosphärenzusammensetzung bei (typischerweise eine inerte Atmosphäre wie z.B. Stickstoff).
Der Betrieb dieses konventionellen Lasersintersystems 100 ist in 2 in einer Frontalansicht gezeigt, wobei die Türen aus Gründen der Klarheit weggelassen wurden. Ein Laserstrahl 104 wird durch den Laser 108 erzeugt und mittels eines optischen Spiegel-Scansystems 114 auf ein Zielgebiet 110 gerichtet, welches Scansystem galvanometrisch angetriebene Spiegel enthält, die den Laserstrahl ablenken. Die Laser- und galvanometrischen Systeme sind von der heißen Prozesskammer 102 durch ein Laserfenster 116 isoliert. Das Laserfenster 116 ist innerhalb strahlender Heizelemente 120 angeordnet, welche den Zielbereich 110 des darunter angeordneten Teilbetts 132 heizen. Diese Heizelemente 120 können ringförmige (rechteckige oder kreisförmige) Platten oder strahlende Heizstangen sein, die das Laserfenster umgeben. Die Ablenkung des Laserstrahls 104 wird in Kombination mit einer Modulation des Lasers 108 selbst gesteuert, um Laserenergie auf diejenigen Stellen der schmelzbaren Pulverschicht zu richten, die dem Querschnitt des in dieser Schicht zu formenden Gegenstands entsprechen. Das Scansystem 114 kann den Laserstrahl 104 über das Pulver in einer Rasterscanweise oder in einer Vektorweise scannen.
Zwei Zufuhrsysteme 124, 126 führen Pulver mittels eines nach oben gerichteten Kolbensystems in das System 100. Der Zielbereich 110 empfängt dabei Pulver von den zwei Zufuhrkolben wie folgt: Das Zufuhrsystem 126 drückt zuerst eine abgemessene Menge an Pulver nach oben und eine gegenläufig rotierende Walze 130 nimmt das Pulver auf und verteilt es in einer gleichförmigen Weise über das Teilbett 132. Die gegenläufig rotierende Walze 130 läuft vollständig über das Zielgebiet 110 und das Zufuhrbett 124 und leitet dann jegliches überschüssiges Pulver in einen Überschuss-Container 136. Näher an der Oberseite der Kammer 102 sind strahlende Heizelemente 122 positioniert, welche das zugeführte Pulver vorheizen, sowie ein strahlendes Element 120 von Ring- oder Rechteckform, um die Teilbettoberfläche zu heizen. Das Element 120 hat eine zentrale Öffnung, welche es dem Laserstrahl 104 erlaubt durch das Laserfenster 116 hindurch zu treten. Nach einer Überquerung der gegenläufig rotierenden Walze 130 über das System 100 schmilzt der Laser 108 selektiv die soeben ausgegebene Schicht. Dann kehrt die Walze 130 von dem Bereich des Überflusscontainers 136 zurück, der Zufuhrkolben 124 drückt eine vorbestimmte Menge an Pulver nach oben und die Walze 130 verteilt das Pulver über das Zielgebiet 110 in der entgegen gesetzten Richtung und läuft dann weiter zu dem anderen Überflusscontainer 138, um überschüssiges Pulver abzuladen. Bevor die Walze 130 jeweils die Überquerung des Systems 100 beginnt, senkt der Bettkolben 128 des zentralen Teils den Teilkuchen um die gewünschte Schichtdicke, um Platz für zusätzliches Pulver zu schaffen.
Das Pulverzufuhrsystem in System 100 enthält Zufuhrkolben 125 und 127, die durch Motoren (nicht abgebildet) betrieben werden, die sich nach oben bewegen und ein gewünschtes Volumen des Pulvers 123 und 129 von den Pulverzufuhrkammern 124 und 126 nach oben (wenn schrittweise betrieben) in Kammer 102 heben. Der Teilkolben 128 wird durch einen Motor (nicht abgebildet) gesteuert, um sich nach unten, unterhalb des Bodens von Kammer 102 um einen kleinen Betrag abzusenken, z.B. 0,125 mm, um die Dicke der jeweiligen Pulverschicht die verarbeitet werden soll zu bestimmen. Die Walze 130 ist eine gegenläufig rotierende Walze, die Pulver 123 von der Zufuhrkammer 126 mittels Zufuhrkolben 127 auf dem Zielgebiet 110 verteilt. Wenn sie in eine der beiden Richtungen läuft, trägt die Walze 130 jedes überschüssige Pulver, welches nicht auf dem Zielgebiet verteilt wurde in die Überschusskartuschen 136 und 138 an beiden Enden der Prozesskammer 102. Zielbereich 110 bezeichnet für die Zwecke der hier vorliegenden Beschreibung die oberste Oberfläche des hitzeschmelzbaren Pulvers in dem Teilkuchen 106 (inklusive der Teile, die falls vorhanden vorher gesintert wurden), welche über dem Teilkolben 128 abgelagert sind. Das System 100 von 2 benötigt außerdem strahlende Heizer 122 über den Zufuhrkolben 125 und 127, um das Pulver vorzuheizen, um so jeglichen thermischen Schock zu minimieren, wenn frisches Pulver über den zuvor gesinterten und heißen Zielbereich 110 verteilt wird. Diese Art von dualem, nach oben drückendem Kolbenzufuhrsystem mit Heizelementen für sowohl Zufuhr und Teilbett wird kommerziell in den selektiven Vanguard Lasersintersystemen eingesetzt, die von 3D Systems, Inc. of Valencia, Kalifornien verkauft werden.
In 3 ist ein alternatives Pulverzufuhrsystem für ein Lasersintersystem abgebildet. Das Gesamtsystem wird allgemein mit dem Bezugszeichen 150 bezeichnet. In diesem System ist der Pulverzufuhrmechanismus nicht länger ein nach oben gerichtetes Kolbensystem, wie es in den 1 und 2 gezeigt ist. Stattdessen wird ein Zufuhrtrichter 162 und 164 verwendet, um in periodischen Abständen Pulver 184 auf dem Boden 206 einer Prozesskammer abzulagern, wo es durch eine gegenläufig rotierende Walze 180 verteilt wird, die in abwechselnder Weise durch ein Antriebssystem 182 bewegt wird. Das Verfahren zur Ablagerung und Verteilung von Pulver in beiden Richtungen ist für diesen Ansatz vollständig in der U.S. Anmeldung Nr. 10/856,303 beschrieben, welche den Anmeldern der vorliegenden Erfindung gehört und hierdurch unter Bezugnahme in dieser Anmeldung aufgenommen wird.
Der Betrieb des selektiven Lasersintersystems von 3 ist auf andere Weise ähnlich wie der des in 2 gezeigten Systems. Ein Laserstrahl 154 wird durch einen Laser 108 erzeugt und mittels eines optischen Spiegelscansystems 114 auf ein Zielgebiet 186 gerichtet, welches üblicherweise galvanometrisch angetriebene Spiegel enthält, die den Laserstrahl ablenken. Die Laser- und galvanometrischen Systeme sind von der heißen Prozesskammer 152 durch ein Laserfenster 156 isoliert. Das Laserfenster 156 ist innerhalb strahlender Heizelemente 160 angeordnet, die das Zielgebiet 186 des darunter angeordneten Teilbetts aufheizen. Diese Heizelemente 160 können ringförmige (rechteckige oder kreisförmige) Platten oder strahlende Heizstangen sein, die das Laserfenster 156 umgeben. Die Ablenkung des Laserstrahls 154 wird in Kombination mit einer Modulation des Lasers 108 selbst gesteuert, um Laserenergie auf diejenigen Stellen der schmelzbaren Pulverschicht in dem Zielgebiet 186 auf der ausgesetzten Oberfläche des Teilkuchens 190 zu lenken, die dem Querschnitt des in der Schicht zu bildenden Gegenstands entspricht. Das Scansystem 114 kann den Laserstrahl 154 über das Pulver in einer Rasterscanweise oder in einer Vektorweise scannen. Nachdem der Querschnitt gebildet wurde, wird der Teilkuchen 190 mittels des Antriebssystems 172 um eine Schichtdicke abgesenkt, wobei die Stützplatte 170, auf welcher der Teilkuchen 190 eingerichtet ist, abgesenkt wird.
Es gibt drei Basis-Kategorien von Pulvern, die in einem selektiven Lasersintersystem üblicherweise verwendet werden. Neues Pulver bezeichnet frisches Pulver, welches einem System zugeführt wird. Überschuss-Pulver ist das überschüssige Pulver, welches aus der Aufbaukammer gedrückt wird, wie z.B. das Pulver in den Containern 136 und 138 in 2 oder das Pulver in den Containern 188 in 3. Wiedergewonnenes Pulver ist Pulver, welches außerhalb der Aufbau- oder Prozesskammer wiedergewonnen wird, wenn die hergestellten Teile in dem Teilkuchen von dem System entfernt werden. Derartig wiedergewonnenes Pulver wird gesammelt und außerhalb der Lasersintermaschine in einer Vorrichtung wiedergewonnen, welche üblicherweise als eine Breakout-Station bezeichnet wird.
Die Verwendung dieser drei Pulverkategorien wird in einer automatischen Weise in einem Pulverrecycelsystem nach dem Stand der Technik, welches in 4 abgebildet ist und allgemein durch das Bezugszeichen 200 bezeichnet wird, gezeigt. Dieses System nach dem Stand der Technik wird in dem deutschen Gebrauchsmuster DE 201 07 262 U1 beschrieben. Bei einer Lasersintermaschine 202 wird Zufuhrpulver zwei Zufuhrtrichter 204 zugeführt. Vollständig aufgebaute Teile Aufbauten aus Maschine 202 werden manuell zu einer Breakout-Station 206 bewegt, wo die Teile von dem nicht gesinterten, wieder verwendbaren Pulver entfernt werden. Zwei Überschusscontainer 208 und 210 in Maschine 202 sammeln überschüssiges Pulver und fördern es über eine Leitung 212 in ein Siebsystem 214. Demselben Siebsystem 214 wird über Leitung 207 auch wiedergewonnenes Pulver von der Breakout-Station 206 zugeführt. Gesiebtes Pulver von dem Siebsystem 214 wird in einem Behälter 215 gespeichert und später über eine Leitung 216 zu einem Mischtank 218 gefördert. Neues Pulver von einem Beutel 220 wird zu dem Mischtank 222 für neues Pulver zugeführt. Die Ausgaben von den zwei Mischtanks 218 und 222 werden in der Mischvorrichtung 224 gemischt, welche durch eine Steuerung 226 gesteuert wird und dann über eine Leitung 228 zurück zu der Sintermaschine 202 gefördert. Alle diese Förderleitungen 207, 212, 216 und 228 haben interne mechanische Schneckenförderer um die Pulver zu fördern.
Das beschriebene Pulverrecycelsystem nach dem Stand der Technik funktioniert zwar, aber es hat sehr große räumliche Abmessungen und es ist aufgrund der mechanischen Schneckenförderersysteme teuer. Einer der Gründe für die Größe ist die Notwendigkeit alle drei Kategorien von Pulver (neu, Überfluss-Pulver und wiedergewonnen) außerhalb der Lasersintermaschine handhaben zu müssen. Hinzu kommt das Schneckenförderer, obwohl sie relativ effizient sind beim lokalen Mischen von Pulvern, aufgrund der mechanischen Beanspruchung zu Pulverabnutzungen führen können. Ein weiterer Aspekt des Systems von 4 nach dem Stand der Technik ist, dass es keine gleich bleibende Aufteilung der drei Kategorien von unterschiedlichen Pulvern sicherstellen kann. Es gibt kein Stoßvolumen (surge volume) für die Überfluss- und wiedergewonnenen Pulver und da diese Pulver bei Bedarf entfernt werden müssen, um zu verhindern, dass sie andere Prozesse stoppen, ist das Verhältnis dieser zwei Pulver in dem Behälter 215 ungesteuert. Daher ist das Mischungsverhältnis dieser zwei Pulver in dem Behälter 215 unbekannt. Da die Überfluss- und wiedergewonnenen Pulver in ihren Eigenschaften unterschiedlich sind, werden die Eigenschaften des verwendeten Pulvers in diesem System, welches von dem Behälter 218 zugeführt wird, ebenfalls variieren, was zu Artefakten des Teils führen kann. Ein weiterer inhärenter Nachteil des Designs des Stands der Technik ist, dass die Mischung von Pulvern von Behältern 222 und 218 durch ein volumetrisches Verhältnis erfolgt, welches durch Steuerung 226 gesteuert wird. Es ist bei unterschiedlich feinen Pulvern, wie z.B. dem neuen Pulver, dem wiedergewonnenen Pulver und dem Überfluss-Pulver, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bekannt, dass zwei oder alle dieser feinen Pulver in ihrer Raumdichte variieren. Wenn derartige Pulver in diesem System des Standes der Technik dem volumetrischen Proportionierungsgerät zugeführt werden, können die Anteile eines jeden Pulvers nicht genau vorhergesagt und gesteuert werden.
Diese Probleme werden durch die vorliegende Erfindung angesprochen. Alle Fördervorgänge von Pulver werden mittels einer pneumatischen Förderung in dichter Phase (dense phase pneumatic transfer) durchgeführt, welche ein dichteres und kompakteres Leitungssystem erlaubt und wobei das Überflusspulver innerhalb der Lasersintermaschine gehalten wird, wo es direkt mittels einer Förderung in dichter Phase zurück zu dem Zufuhrtrichter der Maschine übertragen wird. In dem das überflüssige Pulver aus dem externen Recycelsystem eliminiert wird, verringert sich die Gesamtgröße und Komplexität erheblich. Eine pneumatische Kreislaufförderung von Pulver durch Mischbehälter erreicht ein vollständiges Mischen, um eine Stratifikation zu vermeiden. Die Verwendung von pneumatischen Fördersystemen in dichter Phase anstelle der mechanischen Schneckenförderersysteme reduziert die Gefahr der Pulverabnutzung. Die gesamte Proportionierung der verschiedenen Pulver erfolgt über das Gewicht, anstatt über eine Steuerung des Volumenverhältnisses, wodurch eine genaue Proportionierung sichergestellt wird, selbst wenn die Raumdichten variieren.
Bestimmte Festkörper können in Gas (normalerweise Luft) in Schwebe gehalten und transportiert werden. Dies wird als pneumatisches Fördern bezeichnet. Pneumatische Fördersysteme sind geeignet, um Material in pulverförmiger Form oder als granulatförmige Festkörper zu transportieren. Das Pulver/die Festkörper müssen trocken, mit weniger als 20% Feuchtigkeit, und nicht klebend sein. In pneumatischen Transportsystemen gibt es zwei Basisvarianten:
Förderung in verdünnter Phase bei einer hohen Gasgeschwindigkeit (20–30m/s);
und
Förderung in dichter Phase bei einer niedrigen Gasgeschwindigkeit (5–10m/s).
In einem pneumatischen Fördersystem wird der Großteil der Energie für den Transport der Luft selbst benötigt. Die Energieeffizienz einer pneumatischen Förderanlage ist daher relativ niedrig, aber die Handhabung ist einfach und in gut konstruierten Systemen häufig frei von Staub. Fördersysteme in dichter Phase sind effizienter, da erheblich weniger Luft verwendet wird, um dieselbe Menge an Festkörpern zu fördern. Die inhärent niedrigeren Luftgeschwindigkeiten resultieren auch in einer schonenden Handhabung der Festkörper.
Pneumatische Systeme können sowohl mit positiven als auch mit negativen Drücken (Vakuum) betrieben werden. Der gesamte Pulvertransport der in den Systemen nach der vorliegenden Erfindung beschrieben werden wird, basiert auf einer Förderung der Pulver in dichter Phase. Das Pulverrecycelsystem der vorliegenden Erfindung verwendet eine neue Transporterkonstruktion für die dichte Phase. Das in dem pneumatischen System der vorliegenden Erfindung verwendete Gas kann Luft, Stickstoff, ein anderes inertes Gas, wie z.B. Argon, Kohlendioxid oder jegliche Kombination davon sein. Luft ist das bevorzugte Gas.
5 ist eine integrierte Übersicht des Pulverrecycelsystems der vorliegenden Erfindung, und allgemein mit dem Bezugszeichen 250 bezeichnet. Eine oder mehrere Lasersintermaschinen 252, ähnlich den in 3 beschriebenen, sind mit einem Zufuhrtrichter 254 und einem oder mehrenen Überflusscontainern 256 ausgestattet. In 5 nicht gezeigt, aber später detaillierter beschrieben, ist ein Transporter für die dichte Phase, welcher innerhalb der Lasersintermaschine 252 angeordnet ist, welcher überflüssiges Pulver von Container 256 zurück zu dem Zufuhrtrichter 254 fördert. Dieser Aspekt eliminiert eine erhebliche Pulverhandhabungsbelastung von den diskutierten externen Pulververarbeitungsmodulen. Bei der Vervollständigung des Aufbaus in Maschine 252 wird ein Teilkuchen 258, welcher aus den hergestellten Teilen und dem nicht geschmolzenen Pulver um diese Teile besteht, zu Breakout-Stationen 260 bewegt. Hier erfolgt die Trennung von Teilkuchen 258 in fertige Teile 262, Pulver mit niedrigerer Qualität 264 oder schon verwendetes Pulver, und zum Recycling wiedergewonnenes Pulver 266 auf mechanische Weise. Verwendetes Pulver besteht normalerweise aus größeren harten Agglomeraten, welche sich aus Pulver nahe der heißen Teile bilden. Verwendetes Pulver ist nicht für ein Recycling geeignet und wird verworfen. Ein Transporter für die dichte Phase – siehe hierzu kurz 6, 9 und 10 – transportiert dann wiedergewonnenes Pulver 266 zur Pulver-Verarbeitungseinheit 270, wo es mit neuem Pulver 268 kombiniert wird, um zu dem Zufuhrtrichter 254 der Maschine zurückgeführt zu werden. In einer Ausführungsform kann das Mischen des überflüssigen Pulvers mit dem kombinierten Pulver von der Verarbeitungseinheit 270 an dem Zufuhrtrichter 254 erfolgen, wobei eine Mischtechnologie im Behälter verwendet wird, die später beschrieben werden wird. In dieser und in folgenden Figuren nicht gezeigt ist das Netzwerk von Luftleitungen und Steuerungen, welche die pneumatischen Förderungen in der dichten Phase durch das System antreiben.
6 zeigt die Pulververarbeitungseinheit als ein Teil des gesamten Pulverrecycelsystems, und wird allgemein mit dem Bezugszeichen 350 bezeichnet. Wieder gewonnenes Pulver von einer separaten Breakout-Station 353 (später beschrieben) wird Batch-weise zum Lagerbehälter 354 für wiedergewonnenes Pulver gefördert. Neues Pulver von der Zufuhr 352 wird in einem Volumentrichter 355 gefördert. Neues Pulver und wiedergewonnenes Pulver von dem Speicherbehälter 354 für wiedergewonnenes Pulver können beide durch L-Ventile 356 in einen Transporter für die dichte Phase 358 zugeführt werden. Der Transporter für die dichte Phase 358 verwendet pneumatisches Fördern in dichter Phase, um das resultierende Pulver entweder zu einem Mischbehälter 362 zu fördern, einem Speicherbehälter für neues Pulver 364, oder in einem Kreislaufinuster zurück zu dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354. Wenn der Systembetreiber einen neuen Batch von neuem Pulver in den Speicherbehälter für neues Pulver 364 übertragen möchte, werden die Ventile dementsprechend gesetzt und neues Pulver wird durch den Transporter für die dichte Phase 358 zu dem Speicherbehälter für neues Pulver 364 geführt. Alternativ kann neues Pulver dem Speicherbehälter für neues Pulver 364 direkt zugeführt werden. Neues Pulver kann gemischt werden, in dem die Ventile dementsprechend gesetzt werden und in dem das neue Pulver von dem Speicherbehälter für neues Pulver 364 durch das L-Ventil 368 und den Transporter für die dichte Phase 370 zurück zum Behälter 364 rezirkuliert wird. Genauso, wenn der Systembetreiber verschiedene Batches von wiedergewonnenen Pulvern gründlich mischen möchte, werden die Ventile dementsprechend gesetzt, so dass wiedergewonnenes Pulver vom Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354 mehrfach durch den Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354, dass L-Ventil 356 und den Transporter für die dichte Phase 358 zirkuliert wird. Ein Mischen des Pulvers tritt während dieser Rezirkulation auf.
Innerhalb der Behälter kann eine Vielzahl von Mischtechnologien verwendet werden. Ein bevorzugter Ansatz ist es, das Mischverfahren vom In-Behältertyp zu verwenden, anstatt mechanische Mischverfahren, wie z.B. mechanische Rührgeräte zu verwenden. Mischer des In-Behältertyps verwenden die natürlichen Geschwindigkeitsprofile die in strömenden Festkörpern existieren, um die Ausstoßreihenfolge für Festkörperpartikel zu beeinflussen, die zur selben Zeit eingeführt wurden. In anderen Worten: Partikel, die zu derselben Zeit eingeführt wurden, verlassen den Behälter über eine Zeitspanne verteilt. Da sie den Behälter über eine Zeitspanne verlassen, werden andere Partikel die zu anderen Zeiten eingeführt wurden mit diesen gemischt, da sie ebenfalls über die Zeit verteilt werden. In einem Schwerkraftströmungsmischer wird zum Beispiel eine horizontale Schicht von Festkörpern, welche in den obersten Bereich des Behälters eingeführt wurden, mit anderen horizontalen Schichten gemischt, die vorher eingeführt wurden, wenn die Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Teilen der Schicht schneller oder langsamer sind. Ein Massenstrombehälter hat natürlich eine schnellere Strömungsgeschwindigkeit an der Mittellinie des Behälters als nahe der Behälterwände. Dies bringt die zentralen Partikel von einer Schicht, welche zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeführt wurden, dazu, den Behälter zu der selben Zeit zu verlassen, wie die Partikel von einer Schicht die viel früher eingeführt wurde, wodurch die zwei Schichten gemischt werden, während sie durch den Behälter strömen.
Das Mischen kann auf zwei Arten erfolgen. Einzeldurchlauf mit kontinuierlichem Mischen kann Batch-zu-Batch-Variationen glätten, indem Batches gemischt werden, die aufeinander abgelagert wurden. Allerdings mischt eine Einzeldurchlauf mischung den ersten Batch der in den Behälter eintritt nicht effektiv, da er nicht mit anderen Batches kombiniert werden kann. Eine vollständigere Mischung kann durchgeführt werden, indem Festkörper von dem Behälterauslass zurück zu der Oberseite des Behälters geführt werden und diese wiederum hindurch strömen gelassen werden. Es ist ebenfalls möglich nur die ersten paar Batches die in den Behälter eintreten zu rezirkulieren und dann eine Einzeldurchlaufinischung zu verwenden, um eine kontinuierliche Mischung ohne Rezirkulation zu erreichen, solange wie eine Minimummenge an Pulver in dem Behälter gehalten wird. Mischung mit Rezirkulation kann verwendet werden, um ein erstes Mischen von unterschiedlichen Zutaten zu erreichen. Wenn große Mengen von bestimmten Zutaten in den Behälter zugeführt werden, wird eine stärkere Rezirkulation benötigt, um eine effektive Mischung zu erreichen. Material, welches in Schichten von verschiedenen Zutaten zugeführt wird, kann mit weniger Rezirkulation effektiv gemischt werden.
Eine bevorzugte Technologie des In-Behälter-Mischens ist über einen Kegel-in-Kegel-Einsatz innerhalb des Behälters. Ein Kegel-in-Kegel-Einsatz innerhalb des Behälters überträgt das Geschwindigkeitsprofil über den Trichterbereich hinaus und erlaubt es, das Geschwindigkeitsprofil so einzustellen, um den Mischvorgang zu optimieren. Er erlaubt auch einen Massenstrom oder eine Strömung von Festkörpern an den Wänden in einem Trichter, mit einer flacheren Neigung, als es normalerweise ein Massenstrom erlauben würde. Damit eine In-Behälter-Mischung auftritt, dürfen keine Nichtströmungsbereiche innerhalb des Behälters vorliegen. Mit anderen Worten, wenn Material von dem Auslass strömt, muss sich das gesamte Material innerhalb des Behälters bewegen, da sich nicht-strömende Bereiche nicht mischen werden. Eine Kegel-in-Kegel-Konstruktion kann eine Segregation von Pulver eliminieren und die Strömung von granularen oder pulverförmigen Festkörpern verbessern, indem das Geschwindigkeitsprofil in einem Behälter gesteuert wird. Ein steiler innerer Kegel führt zu einer Strömung zu einem flacheren äußeren Kegel. Dies führt dazu, dass einige Pulverströmungshindernisse eliminiert werden, z.B. die in der Pulververarbeitungsindustrie als so ge nannte „Red Holes" bekannten, und verhindert eine Segregation sogar für einen relativ flachen Behälter. Dieses Antisegregationsströmungsmuster vermischt Festkörper, die sich sonst häufig trennen, wenn sie in einen normalen Behälter fallen. Das System ist sehr vielseitig, da es in der Lage ist, mehrmals zu mischen oder eine direkte Durchströmung zu erlauben, abhängig von der Anwendung. Wie in 6 gezeigt können Behälter 354, 362 und 364 jeweils ein inneres Kegel-in-Kegel-Mischsystem aufweisen. Kegel-in-Kegel-Mischer sind Stand der Technik. Jeder Behälter 354, 362 und 364 hat eine Wiegevorrichtung 371, 372 bzw. 374, die durch Abwiegen eines jeden Pulvers eine akkurate Förderung sicherstellt. Wiegevorrichtungen 371, 372 und 374 können Wiegezellen verwenden, um die Pulver, die in den Behältern 354, 362 und 364 enthalten sind, genauer zu wiegen und diese Gewichte zu einem Steuergerät innerhalb des Pulverrecycelsystems 350 zu übertragen.
Wenn der Anwender eine endgültige Mischung von wiedergewonnenem und neuem Pulver aus den Vorratsbehältern 354 bzw. 364 herstellen will, werden die Ventile dementsprechend gesetzt, so dass wiedergewonnenes Pulver von dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354 durch das L-Ventil 356 in einen Transporter für die dichte Phase 358 in den Mischbehälter 362 hinein strömt. Neues Pulver wird dann durch das geeignete L-Ventil 368 in den Transporter für die dichte Phase 370 zugeführt und die entstandene Mischung wird durch und um Mischbehälter 362 herumzirkuliert. Wie zuvor beschrieben, resultiert diese Vorgehensweise in einem gut gemischten Pulver ohne Segregation, wenn das Pulver durch die Kegel-in-Kegel-Mischkonstruktion strömt. Wenn es geeignet gemischt ist, kann die endgültige Pulvermischung dann zu einer Sintermaschine 376 transportiert werden. Ebenfalls gezeigt ist eine Hilfsspeichervorrichtung 378 für Fälle, in denen es gewünscht wird, Pulver außerhalb des Systems zu speichern oder zu bewegen.
Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung erlaubt ein großes Maß an Flexibilität durch einen geeigneten Ventileinsatz, um Pulver zu der gewünschten Mi schung zu mischen, bevor es der Lasersintermaschine 376 zugeführt wird. All diese verschiedenen Strömungsmöglichkeiten, inklusive der Ventileinstellungen, können natürlich mittels einer Computersteuerung durchgeführt werden, so dass der Betrieb automatisch anstelle von manuell abläuft.
Während es in einem automatischen Modus betrieben wird, führt das System der vorliegenden Erfindung die folgenden Funktionen durch. Während Pulver der im Sinterbetrieb befindlichen Maschine oder auch während eines Stillstands zugeführt wird, hält die Maschine automatisch den Speicherbehälter für neues Pulver 364 voll, indem sie pneumatisch Pulver von dem Zufuhrcontainer 352 fördert. Optional kann der Anwender das neue Pulver im Behälter 364 mit sich selbst und mit Pulver, welches zuvor gespeichert wurde mischen, um eine durch einen Transport hervorgerufene Segregation aufzuheben und um Batch-zu-Batch-Variationen auszugleichen. Das System wird außerdem automatisch wiedergewonnenes Pulver von der Breakout-Station 353 zu dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354 fördern, wenn der Anwender Teile herausbricht. Optional kann der Systemanwender wiedergewonnenes Pulver mit sich selbst und mit Pulver, welches zuvor gespeichert wurde mischen, um eine Segregation auszugleichen, die während des Ausbrechens entstanden ist, oder um Variationen innerhalb des Teilkuchens und Variationen zwischen Teilkuchen aufgrund von Differenzen in aufeinander folgenden Aufbauten auszugleichen.
Wenn der Mischbehälter 362 von 6 beinahe leer ist, wird das Pulverhandhabungssystem 350 automatisch Pulver von dem Speicherbehälter für neues Pulver fördern, um einen Gewichtssollwert zu erreichen. Dies kann in abwechselnden Schichten durchgeführt werden, wobei das wiedergewonnene Pulver von dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354 durch ein Fördern von Pulver von dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver gefördert wird, um einen Gewichtssollwert zu erreichen. Dieses Auffüllen würde in abwechselnden Schichten von neuem und wiedergewonnenem Pulver durchgeführt werden, um das Mischen zu beschleunigen. Während sich der Mischbehälter 362 füllt, rezirkuliert die Pulververarbeitungseinheit 270 des Pulverrecycelsystems Pulver von dem Mischbehälterauslass zu dem Mischbehältereinlass und verwendet die Kegel-in-Kegel-Mischkonstruktion, um das neue und das wiedergewonnene Pulver miteinander zu mischen. Das System führt dann automatisch der Lasersintermaschine 376 oder auch mehreren Maschinen Pulver zu, wenn Niveausensoren der einen oder der mehreren Maschinen Pulver nachfragen. Während des Mischens kann eine Reihe von bekannten Verfahren verwendet werden, um die Pulverqualität während des Mischens zu messen. Eine gut bekannte analytische Technik um die Qualität zu beobachten ist es, den Schmelzindex des gemischten Pulvers zu überwachen.
7 ist eine schematische Darstellung der Breakout-Station, welche allgemein durch das Bezugszeichen 400 bezeichnet ist. Ein Teilkuchen wird auf einem Tisch 402 der Breakout-Station 400 platziert, der zwei entgegengesetzte Seiten (links und rechts) aufweist, um entferntes wiederverwertbares Pulver und verbrauchtes Pulver von dem Teilkuchen aufzunehmen. Diese werden entweder direkt oder durch eine Luftrutsche 404 einem Schneckenförderer 406 zugeführt, welcher die Vorrichtung 408 beschickt, welche die Trennung zwischen dem wieder verwertbaren Pulver und den größeren Agglomerationen des nichtverwendbaren verbrauchten Pulvers vornimmt, welche in einen Abfallbehälter 410 gegeben werden. Eine bevorzugte Vorrichtung 408 ist ein Rotationssieb. Das somit wiedergewonnene Pulver fällt in einen Transporter für eine dichte Phase 412, der das Pulver über eine Pulverleitung 414 zurück zu dem Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver 354 in 6 überträgt.
Die kompakte Größe und Zuverlässigkeit des Pulverrecyclesystems der vorliegenden Erfindung wird durch die Verwendung von pneumatischen Pulverfördermitteln in dichter Phase im gesamten System ermöglicht. 9 ist eine Darstellung der zwei Transporter für die dichte Phase, die in 6 mit 358 und 370 bezeichnet sind. In 9 sind die Transporter 514 und 516 unter den Behältern der Pulververarbeitungseinheit 270, die in 6 dargestellt ist, eingerichtet. Der Speicher für wiedergewonnenes Pulver 506 und der Volumentrichter 502 beschi cken L-Ventile 510, welche wiederum den Transporter für die dichte Phase 514 beschicken. Die Details des Betriebs der L-Ventile und der Transporter für die dichte Phase werden später beschrieben. Die anderen zwei Hauptbehälter der Pulververarbeitungseinheit, der Speicherbehälter für neues Pulver 508 und der Mischer 504 beschicken zusammen durch L-Ventile 512 den Transporter für die dichte Phase 516. 10 ist eine Ansicht des internen Überfluss- oder Überschusspulverempfängers und des Fördersystems, welches allgemein durch das Bezugszeichen 530 bezeichnet ist. Der Überflussempfänger 532 sammelt überschüssiges Pulver von jeder Seite des Teilbetts während eines Aufbaus. Das überschüssige Pulver strömt durch ein geeignetes Ventil 536, wie z.B. ein luftbetätigtes Druckventil mit einer dehnbaren Blase 538, welche durch Luft, die in ein Reservoir 540 gepumpt wird, betätigt wird, welches eine Strömung nach unten zu einem kleinen Transporter für eine dichte Phase 542 steuert. Der Transporter für eine dichte Phase 542 fördert Pulver zurück zu dem Pulverzufuhrtrichter (nicht abgebildet), wodurch das gesamte überschüssige Pulver innerhalb der Sintermaschine belassen wird. In dem Transporter für die dichte Phase 542 wird Pulver durch Luft verwirbelt (fluidisiert), die durch Einlass 544 zugeführt wird. Pulver tritt durch Auslass 546 in einer Weise aus, die noch beschrieben wird. Ein Niveausensor 534 wirkt mit einem Steuermittel zusammen, welches das Druckventil 536 öffnet, wenn das Pulver in Aufnahmemittel 532 das Niveau des Sensors 534 erreicht. Dies stellt eine konstante Pulverdichtung sicher, die verhindert, dass geförderte Luft in die Sintermaschine geblasen wird.
Eines der L-Ventile von 9, allgemein durch das Bezugszeichen 550 bezeichnet, ist detaillierter in der Querschnittsansicht von 11 zu sehen. Pulver von einem beliebigen Behälter fällt aufgrund der Schwerkraft durch Einlass 552 auf eine poröse Platte 554. Der Einlass 556 ist eine Luftquelle für das L-Ventil. Während Luft durch den Einlass 556 und durch die poröse Platte 554 strömt wird das Pulver auf der Platte verwirbelt und bewegt sich entlang der Platte 554 nach unten und zusammen mit der verwirbelten Luft aus dem Ausgang 558. Wenn die Luftzufuhr zum Einlass 556 abgestellt wird, bricht das verwirbelte Pulver auf Platte 554 zusammen und bildet schnell eine Dichtung bei Element 555. Somit ist ein L-Ventil ein effizientes Ventil zur Steuerung der Pulverströmung mit einer geraden Strömung von Luft in dem Einlass 556. L-Ventile sind Stand der Technik in der Pulverhandhabungsindustrie.
12 ist eine Querschnittsansicht des Eingangs des Transporters für eine dichte Phase, welcher allgemein durch das Bezugszeichen 600 bezeichnet ist, und wobei die zwei L-Ventile 602 verbunden mit dem Zufuhrbereich 604 eines Transporters für eine dichte Phase gezeigt sind. Der Zufuhrbereich 604 enthält ein Kegelventil 610, welches durch den Ventilschaft 606 nach oben bewegt werden kann, um eine Dichtung gegen einen Ventilsitz 612 mit dem oberen Bereich 608 des Transporters für eine dichte Phase 600 zu bilden, so dass der Transporter für eine dichte Phase unter Druck gesetzt werden kann, um die gewünschten Pulver zu transportieren.
Die komplette Transportervorrichtung für eine dichte Phase, nun allgemein durch das Bezugszeichen 650 bezeichnet, ist in einer Querschnittsansicht in 13 gezeigt. Der Transporter für eine dichte Phase 650 besteht aus einem oberen Empfangsbereich 652 und einem kegelstumpfförmigen Bereich 702, welcher mit einem unteren Transferbereich 654 verbunden ist. Es ist wichtig, dass der untere Transferbereich 654 in einem Winkel von der Vertikalen eingerichtet ist, um eine gute Pulverförderung sicherzustellen. Diese Neigung des unteren Transferbereichs 654 stellt sicher, dass die poröse Platte 604 nicht horizontal ist, sondern in einem Winkel geneigt ist. Die Platte 704 ist porös, so dass sie zusammen mit einer Luftströmung Pulver verwirbelt, welches auf sie fällt. Unter Druck stehende Luft tritt am Einlass 706 ein und strömt nach oben durch die poröse Platte 704, um die Verwirbelungswirkung zu bieten. Das verwirbelte Pulver strömt nach unten entlang der Auslassplatte 704 zu und aus dem Auslass 708. Die geneigte Konstruktion, oder eine alternative zentrale Auslasskonstruktion, welche die poröse Platte in einer nach unten gewinkelten kegelförmigen Weise verwendet, stellt einen gleichförmigeren Transport in der dichten Phase sicher, mit einer verringerten Verstop fungsgefahr. Wenn die Luftströmung in Einlass 706 unter den Verwirbelungspunkt verringert wird, fällt das Pulver auf der Platte 704 zusammen und bildet eine Brücke bei Ausgang 708, die die Strömung stoppt. Der Offsetwinkel sollte größer sein als etwa 9 bis 10° von der Horizontalen, aber er kann auch viel größer sein. Ein bevorzugter Winkel ist etwa 10°.
Nun kurz zurückverweisend auf die Beschreibung von 5 wird die Strömung von Pulvermaterial in das Pulverrecycelsystem 250 vervollständigt, indem Pulver von der Pulververarbeitungseinheit 270 zurückgeführt wird und dem Pulverzufuhrtrichter 254 in der Lasersintermaschine 252 zugeführt wird, wo es mit internem Überflusspulver von Container 256 kombiniert wird.
In 8 ist der Pulverzufuhrtrichter in der Lasersintermaschine allgemein mit dem Bezugszeichen 450 bezeichnet. Drei Pulvereinlässe sind im oberen Bereich von Pulverzufuhrtrichter 450 vorgesehen. Der Einlass 452 empfängt Pulver, welches von dem Transporter für die dichte Phase 370 von 6 zugeführt wird. Die Einlässe 454 empfangen Überflusspulver von der Sintermaschine, welches von dem Transporter für die dichte Phase 542 kommt, der in 10 beschrieben ist. Kombiniertes Pulver von den Einlässen 452 und 454 fällt aufgrund der Schwerkraft auf eine Luftrutsche 458, wo es verwirbelt wird und über die Luftrutsche 458 in den Zufuhrbereich 463 des Pulverzufuhrtrichters 450 und in den Zufuhrschacht 466 zugeführt wird. Der Lufteinlass 460 führt verwirbelnde Luft zu einer porösen Platte in der Luftrutsche 458. Die Luftrutsche 458 bietet die wichtige Funktion des Verteilens des entstehenden Pulverhaufens in dem Trichterbereich 463, um mehr Speichervolumen in einem Zufuhrtrichter von begrenzter Größe bereitzustellen. Aufgrund der Bildung eines Haufens reduziert sie auch die Gefahr einer Materialstratifikation, die ohne die Luftrutsche auftreten würde. Die Luftrutsche 458 erreicht dies ohne bewegliche mechanische Teile.
Eine Niveausteuerung von Pulver in dem Pulverzufuhrtrichter 450 wird in 8 mittels Niveausensoren 462 und 464 bereit gestellt. Sensor 462 entdeckt, wenn der Zufuhrtrichter voll ist, und erlaubt keine weiteren Zuführungen durch Einlässe 452 und 454. Denn Sensor 462 entdeckt, wenn der Trichterbereich beinahe leer ist und stoppt jegliche weitere Förderung aus dem Trichter heraus. Indem ein Niveau von Pulver immer bei oder über dem Niveausensor 464 gehalten wird, dient das Pulver als eine Luftdichtung, um jedwede Luft vom Eintritt in die Lasersintermaschine abzuhalten, welche während des Betriebs unter einer inerten Atmosphäre gehalten wird, wie z.B. Stickstoff. Die Luftdichtung verhindert auch, dass die Stickstoffatmosphäre durch den Pulverzufuhrtrichter 450 entkommt. In die Sintermaschine zuzuführendes Pulver wird in Verbindung mit einem Walzenförderer 468 präzise durch die Rotation einer zylindrischen Pulverwalze 470 abgemessen, wie es in 8 zu sehen ist. Der Abstand zwischen Förderer 468 und Walze 470 erlaubt es, eine präzise Menge von Pulver nach unten durch den Zufuhrschacht 466 und durch den Zufuhrspalt 474 zu fördern, während sich die Pulverwalze 470 dreht. Eine bevorzugte Walze ist eine mit einer glatten Oberfläche, die einen linearen Zusammenhang zwischen der Walzenrotation und der Pulverzuführung aufweist, und keine Taschen hat, in denen sich Pulver sammeln könnte. Der Steuermechanismus 472 wird periodisch tätig, um den Förderer 468 anzuheben, um so Agglomerate aus dem Spalt zwischen dem Walzenförderer 468 und der Walze 470 zu entfernen. Nachdem Pulver durch den Zufuhrspalt 474 in die Prozesskammer für das Lasersintern gefallen ist, wird es über den Aufbaubereich ausgebreitet. Das Verfahren zur Ablagerung und Ausbreitung des Pulvers in beiden Richtungen ist bei diesem Ansatz vollständig in der zuvor erwähnten US-Anmeldung US 10/856,303 beschrieben.
Das automatische Pulverrecycelsystem der vorliegenden Erfindung erlaubt einen unbemannten Betrieb von mehr als einer Sintermaschine in einem 24-Stunden Betrieb. Dementsprechend sollte eine Fernüberwachung und -diagnose ein wesentliches Merkmal eines solchen Systems sein. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher eine entfernt angeordnete HTML-Browser-Anwendung, so dass der Internetexplorer, Netscape oder andere Browser verwendet werden können, um aus der Ferne auf das System zugreifen zu können und um Systemfunktionen durchzuführen. Diese Systemfunktionen können wenigstens ein zusätzliches Mischen, Leeren von Behältern, Pulvertransporte, Zufügen von neuem Pulver etc. enthalten. Ein entfernt angeordneter HTML-Statusbildschirm ist ebenfalls verfügbar, um Betriebsparameter des Recycelsystems darzustellen, inklusive wenigstens Drücken, Strömungsraten, Transporterstatus etc. Ein analoges Display zeigt die Pulverniveaus in den verschiedenen Behältern und berechnet voraus, wann die verschiedenen Kategorien oder Typen von Pulvern unter dem gerade vorliegenden Verwendungsgrad wahrscheinlich auslaufen. Dasselbe System ist so programmiert, dem Systembetreiber eine Email zu senden, wenn neues oder wiedergewonnenes Pulver zur Neige geht.
Während die Erfindung oben unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen derselben beschrieben wurde, ist es klar, dass viele Änderungen, Modifikationen und Variationen der Materialien, Anordnung von Teilen und Funktionsschritten gemacht werden können, ohne von der hier offenbarten erfinderischen Idee abzuweichen. Dementsprechend sind der Inhalt und der breite Rahmen der beigefügten Ansprüche dazu gedacht, alle derartigen Änderungen, Modifikationen und Variationen zu umfassen, die einem Fachmann beim Lesen der Offenbarung einfallen können. Alle Patentanmeldungen, Patente und andere Publikationen, die hierin zitiert worden sind, sind hierin unter Bezugnahme auf dieselben in ihrer Gesamtheit mit aufgenommen.

Claims

Eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem Pulver, aufweisend: a. eine Kammer innerhalb der Vorrichtung, in welcher ein schichtweiser Aufbauprozess durchgeführt wird, um dreidimensionale Objekte herzustellen, wobei die Kammer eine erste Seite und eine entgegengesetzt liegende zweite Seite aufweist; b.einen Pulverzufuhrtrichter, welcher an der ersten Seite der Kammer angeordnet ist, um eine Menge von Pulver in die Kammer abzulagern, wobei dem Zufuhrtrichter Pulver von einer Pulverzufuhrleitung zugeführt wird; c. ein Verteilmittel, welches benachbart zu dem Zufuhrtrichter angeordnet ist, um die Menge an Pulver in der Kammer zu verteilen; d. eine Empfangsvorrichtung, um überschüssiges Pulver zu empfangen, welches von dem Verteilmittel bereitgestellt wird, wobei die Empfangsvorrichtung benachbart zu wenigstens einer Seite der Prozesskammer angeordnet ist; und e. eine pneumatische Fördervorrichtung in Strömungskommunikation mit der Empfangsvorrichtung, um das überschüssige Pulver zu dem Pulverzufuhrtrichter zurück zuführen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine separate Breakout-Station, welche ein vollständiges Ergebnis von der Vorrichtung empfängt und das Ergebnis in vollständige Teile, wiederverwertbares Pulver und verbrauchtes Pulver aufteilt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine pulververarbeitende Einheit, die mit der Zufuhrleitung verbunden ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei Pulver, welches durch die Zufuhrleitung von der Pulververarbeitungseinheit zugeführt wird, mittels einer pneumatischen Förderung in der dichten Phase durch ein pneumatisches Fördermittel in der dichten Phase gefördert wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend, dass der Pulverzufuhrtrichter oberhalb der ersten Seite der Kammer angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Pulververarbeitungseinheit Mengen von sowohl neuem als auch wiedergewonnenem Pulver zugeführt werden.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Pulververarbeitungseinheit einen Speicherbehälter für neues Pulver umfasst, der Mengen von neuem Pulver speichert und mischt, wobei die Mischung durch Zirkulieren von Pulver durch den Speicherbehälter für neues Pulver erfolgt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Pulver, welches durch den Speicherbehälter für neues Pulver zirkuliert mittels einer pneumatischen Fördervorrichtung für eine dichte Phase gefördert wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5, weiter aufweisend, dass das Verteilmittel unterhalb des Zufuhrtrichters positioniert ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Speicherbehälter für neues Pulver weiter einen internen Kegel in einer Kegelmischvorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Pulververarbeitungseinheit weiter einen Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver umfasst, der Mengen von wiedergewonnenem Pulver speichert und mischt, wobei das Mischen durch Zirkulieren des Pulvers durch den Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver erfolgt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Zirkulation von Pulver durch den Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver mittels einer pneumatischen Fördervorrichtung für eine dichte Phase durchgeführt wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Speicherbehälter für wiedergewonnenes Pulver weiter einen inneren Kegel in einer Kegelmischvorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Pulververarbeitungseinheit weiter einen Mischbehälter umfasst, um Kombinationen von wiedergewonnenem und neuem Pulver zu mischen und zu speichern, wobei die Mischung durch Zirkulieren von Pulver durch den Mischspeicherbehälter erfolgt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Zirkulation von Pulver durch den Mischspeicherbehälter mittels einer pneumatischen Fördervorrichtung für eine dichte Phase durchgeführt wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Mischspeicherbehälter weiter einen inneren Kegel in einer Kegelmischvorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die pneumatische Fördervorrichtung eine pneumatische Fördervorrichtung für eine dichte Phase ist, die überschüssiges Pulver über eine pneumatische Förderung in dichter Phase fördert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 17, weiter aufweisend eine pneumatische Fördervorrichtung für eine dichte Phase, um das überschüssige Pulver zu dem Pulverzufuhrtrichters zurück zu führen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Breakout-Station umfasst. a. einen Arbeitstisch, um wiederverwendbares Pulver und verbrauchtes Pulver von fertigen dreidimensionalen Objekten zu trennen; b. eine Vorrichtung zur Verarbeitung und Trennung von wiederverwendbarem Pulver und verbrauchtem Pulver; und c. eine pneumatische Fördervorrichtung für eine dichte Phase, um recyceltes Pulver zu der Pulververarbeitungseinheit zu fördern.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, 8, 12, 15, 18 und 19, wobei die pneumatische Fördervorrichtung für eine dichte Phase umfasst: a. einen oberen Empfangsbereich, um zu förderndes Pulver zu empfangen; b. einen unteren Übertragungsbereich, welcher unterhalb des oberen Empfangsbereichs angeordnet ist, und es dem Pulver erlaubt zu einem Auslass zu strömen; c. eine poröse Platte in dem unteren Bereich; d. einen Einlass eines Fördergases, welches durch die poröse Platte strömt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Pulverzufuhrtrichter aufweist: a. einen Einlass, um Zufuhren von Pulver oberhalb einer Trichterkammer aufzunehmen; b. eine zylindrische rotierbare Walze, welche unterhalb der Trichterkammer positioniert ist; und c. einen Walzenförderer der parallel und benachbart zu der zylindrischen rotierbaren Walze positioniert ist, um einen definierten Spalt zu erzeugen, durch welchen Pulver von der Trichterkammer strömt, wenn die zylindrische rotierbare Walze rotiert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die zylindrische rotierbare Walze eine glatte Oberfläche hat.
Die Vorrichtung nach Anspruch 22, weiter aufweisend eine Luftrutsche, welche unterhalb des Einlasses angeordnet ist, um Pulver von dem Einlass zu akzeptieren und das Pulver in die Trichterkammer zu führen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 23, weiter aufweisend eine Einstellvorrichtung, um den Walzenförderer periodisch zu bewegen, um die Größe des Spalts zu erhöhen, um es gesammelten Pulveragglomerationen zu erlauben hindurch zu fallen.