DE102011002954A1

DE102011002954A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102011002954A1
Application number: DE102011002954A
Authority: DE
Inventors: Dominik Jung; Christian Behr; Dr. Skrynecki Nicolai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reinigen von Bauteilen (50), insbesondere von im Sinterverfahren hergestellten Bauteilen mit: – einer prismenförmigen Folieneinrichtung (11), die eine axiale Richtung (A) und eine radiale Richtung (R) aufweist, um ihre Längsachse drehbar mit der Vorrichtung (10) in Verbindung steht und in radialer Richtung (R) von einer Ummantelung begrenzt wird, wobei in der Ummantelung eine Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind, und einer Zuführeinrichtung (12), mit der die Bauteile (50) durch die Einlassöffnung (14) in einen Innenbereich (13) der Filtereinrichtung (11) einbringbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reinigen von Bauteilen, die insbesondere im Lasersinterverfahren hergestellt wurden sowie ein Verfahren zum Reinigen entsprechender Bauteile.
Beim Lasersintern, auch bekannt als selektives Lasersintern (SLS), werden aus pulverförmigen Ausgangsstoffen räumliche Strukturen erstellt. Hierbei handelt es sich um ein generatives Schichtbauverfahren, bei dem einzelne Bauteile Schicht für Schicht erzeugt werden. Als Pulvermaterial kommt dabei Kunststoff, beispielsweise Polyamid 12, kunststoffbeschichteter Formsand oder ein anderes Keramikpulver zum Einsatz. Dieses Pulver wird auf einen Grundträger unter Zuhilfenahme einer Rakel oder eine Walze aufgetragen. Durch selektive Belichtung vorbestimmter Bereiche mit dem Laser wird im Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Pulverschicht diese eingeschmolzen bzw. gesintert. Somit kann eine erste Schicht entsprechend der gewünschten Bauteilkontur des späteren Bauteils erzeugt werden. Anschließend wird der Grundträger um eine vorbestimmte Höhe abgesenkt und eine neue Schicht des Pulvermaterials aufgetragen. Wie oben beschrieben wird die Kontur erneut mit dem Laser abgefahren, um an vorbestimmten Bereichen das Pulver aufzuschmelzen und dadurch eine weitere Schicht des Bauteils zu erzeugen. Diese Schicht verbindet sich dabei stoffschlüssig mit der vorher erzeugten Schicht. Diese Bearbeitungsschritte werden solange wiederholt, bis das fertige Bauteil erzeugt ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technologie liegt in der werkzeuglosen Fertigung von Bauteilen und ist damit besonders geeignet, um hinterschnittene Bauteilgeometrien zu erzeugen. Am Ende des Herstellungsprozess, d. h. nachdem die letzte Schicht des Bauteils verfestigt wurde, liegt ein sogenannter Pulverkuchen vor, bei dem in einer quader- oder würfelförmigen Anordnung des Pulvermaterials die fertigen Bauteile eingebracht sind. Ein solcher Pulverkuchen 52 ist in 1 dargestellt, wobei fertige Bauteile 50 von dem nicht verfestigten Pulver 51 umgeben sind.
Um diese Bauteile 50 aus dem Pulverkuchen 52 zu lösen bzw. zu entpacken, wird der Pulverkuchen 52 im Stand der Technik auf eine Auspackstation gelegt. Anschließend werden die Bauteile 50 von Hand aus dem Pulver 51 geholt. Das manuelle Auspacken der Bauteile 50 und der damit verbundene Kontakt mit dem Pulver ist jedoch nicht ergonomisch, da er das Wohlbefinden der Arbeitskräfte bzw. unter Umständen deren Gesundheit beeinträchtigen kann und stellt einen wesentlichen Nachteil dar. Im Allgemeinen handelt es sich bei dem Pulver 51 um hygroskopisches Pulver, das der menschlichen Haut und den Schleimhäuten Wasser entziehen kann und diese dadurch austrocknet. Darüber hinaus ist dieses Pulver lungengängig, was das Tragen von Staubmasken notwendig macht. Trotz dieser Sicherheitsvorkehrungen kann nicht verhindert werden, dass ein gewisser Restanteil des Pulvers in die Lungen der Arbeitskraft gelang. Ferner führt die Belastung der Arbeitsoberfläche mit dem Staubpulver auch zu einem erhöhten Verschleiß der Oberfläche umliegender Anlagen. Nicht zuletzt stellt das manuelle Auspacken einen großen Zeitaufwand dar, der die Dauer des Bauteilherstellungsprozess verlängert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem im Lasersinterverfahren hergestellte Bauteile selbsttätig ausgepackt werden können. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen vorteilhafte Ausführungen der Erfindung dar.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Reinigen von Bauteilen vor, insbesondere von im Lasersinterverfahren hergestellten Bauteilen mit einer prismenförmigen Filtereinrichtung, die eine axiale und eine radiale Richtung aufweist, um ihre in axialer Richtung weisende Längsachse drehbar mit einem Strukturelement der Vorrichtung in Verbindung steht und in radialer Richtung von einer Ummantelung begrenzt wird. Babel können an der Ummantelung eine Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sein. Mit Hilfe einer Zuführinrichtung können die Bauteile durch eine Einlassöffnung der Filtereinrichtung in einen Innenbereich der Filtereinrichtung einbringbar sein. Weiterhin kann bzw. können an einer dem Innenbereich zugewandten Oberfläche der Ummantelung eine oder mehrere Fördereinrichtungen angeordnet sein, mit denen die Bauteile zumindest in axialer Richtung der prismenförmigen Filtereinrichtung von der Einlassöffnung zu einer Auslassöffnung der Filtereinrichtung bewegbar sind.
Ferner kann in radialer Richtung an der Außenseite der Ummantelung eine Auffangeinrichtung angeordnet sein. Unter Einwirkung der Gewichtskraft fällt das von den Bauteilen gelöste Pulver nach unten und trifft auf die Auffangeinrichtung auf. Damit kann eine unerwünschte Verteilung des Pulvers in der Umgebung verhindert werden.
Darüber hinaus kann im Bereich der Auslassöffnung der Filtereinrichtung eine Abführeinrichtung vorgesehen sein, mit der die Bauteile von der Filtereinrichtung zu einem Sammelbehältnis überführbar sind.
Zusätzlich oder alternativ kann an der Abführeinrichtung eine zweite Absaugeinrichtung angeordnet sein.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Reinigen von Bauteilen, insbesondere von im Sinterverfahren hergestellten Bauteilen mit den Schritten: Einbringen der Bauteile in einen Innenbereich einer Filtereinrichtung, Erzeugen einer Drehbewegung der Filtereinrichtung einer Rotationsachse und Auffangen des von den Bauteilen gelösten Pulvers.
Darüber hinaus kann das Pulver aus dem Innenbereich der Filtereinrichtung abgesaugt werden.
Zusätzlich oder alternativ können mit der Abführeinrichtung Schwingungen auf die Bauteile, die aus dem Innenbereich der Filtereinrichtung gefördert werden, übertragbar sein.
Ferner kann die Filtereinrichtung mit einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 5 bis 30 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt mit 15 Umdrehungen pro Minute rotiert werden, während sich die Bauteile in einem Innenbereich befinden.
Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines Verfahrens zum selbsttätigen Auspacken von Bauteilen kann ein verkürzter Verfahrensablauf und damit eine Zeitersparnis erzeugt werden. Der Kontakt des Pulvers mit der Haut der Arbeitskräfte bzw. der Kontakt mit Arbeitsoberflächen kann reduziert werden, wodurch die Staubbelastung in den Arbeitsräumen reduziert wird. Dadurch wird auch die Menge des lungengängigen Materials in der Umgebungsluft gesenkt. Dies hat zur Folge, dass die Wechselzyklen der Kartuschen in Umluftfilter verlängert werden können, bzw. auf Umluftfilter vollständig verzichtet werden kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderen Kombinationen betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.
Es zeigen in schematischer Darstellung
1 einen Pulverkuchen mit darin befindlichen fertigen Lasersinterteilen,
2 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Reinigen von Bauteilen und
3 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Pulverkuchen 52, wie er im Lasersinterverfahren entsteht und der bereits oben mit Bezug zum Stand der Technik beschrieben wurde. Das Lasersinterverfahren an sich ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
Im Folgenden soll die Vorrichtung sowie auch das Verfahren gemäß der Erfindung mit Bezug zu den 2 und 3 beschrieben werden. Der Pulverkuchen 52 wird aus der Lasersinterapparatur entnommen und befindet sich dabei in einem Behälter 30. Der Behälter 30 umfasst einen Boden 32, der mit Hilfe eines Stempels 31 in Hochrichtung angehoben und gesenkt werden kann, wie beispielsweise durch den Doppelpfeil Z in 3 dargestellt. Der Behälter 30 wird mitsamt Pulverkuchen 52 in eine dafür vorgesehene Kammer 33 der Vorrichtung 10 eingebracht. Die Kammer 33 wird nach oben hin durch eine Abdeckung 34 verschlossen, in der eine Aussparung 35 vorgesehen ist, wie beispielsweise in 2 dargestellt. Durch Betätigung des Stempels 31 kann der Boden 32 mitsamt Pulverkuchen 42 angehoben werden, bis er durch die Aussparung 35 hindurch getreten ist und der Boden 32 mit der Abdeckung 34 vorzugsweise eine fluchtende Ebene bildet.
Anschließend kann der Pulverkuchen 52 mit Hilfe einer Zuführeinrichtung 12 in einen Innenbereich 13 einer prismenförmigen Filtereinrichtung 11 eingebracht werden. Die Zuführeinrichtung 12 umfasst einen Stempel 12a und eine Auflageplatte 12b. Der Stempel 12a und die Auflageplatte 12b können bewegt werden, wie beispielsweise durch den Doppelpfeil X in 3 dargestellt. Durch Bewegung des Stempels 12a nach links, wird mit Hilfe der Schiebeplatte 12b der Pulverkuchen 52 in den Innenbereich 13 der Filtereinrichtung 11 geschoben. Die Filtereinrichtung 11 ist dabei in Form eines Zylinders ausgebildet mit einem kreisrunden Querschnitt, vgl. auch 2. Die Mantelfläche dieses Zylinders bzw. Trommel ist als Sieb ausgebildet und weist somit eine Mehrzahl von Öffnungen auf, durch die das Pulver 51 des Pulverkuchens 52 permeabel ist. Bei dieser siebförmigen Ummantelung kann es sich insbesondere um ein sogenanntes ”Fünfschaftköper-Gitter” handeln. Um eine gute Durchlässigkeit des Sinterpulvers zu gewährleisten, ist die Auswahl einer Maschengröße von 600 × 800 μm sinnvoll.
In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung kann die prismenförmige Filtereinrichtung 11 auch ovale, dreieckige oder mehreckige Querschnitte aufweisen.
Die Filtereinrichtung 11 ist um ihre Längsachse, d. h. um die axiale Richtung A drehbar an einem Strukturelement 18 der Vorrichtung angeordnet. Das Strukturelement 18 ist in der 2 als Trägerstruktur gebildet und stellt ein tragendes Gerüst der Vorrichtung dar. Wenn der Pulverkuchen 52 im Innenbereich 13 der prismenförmigen Filtereinrichtung 11 eingebracht ist, wird die Filtereinrichtung 11 in eine Drehbewegung versetzt. Dabei wird der Pulverkuchen 52 bewegt, wodurch sich die Bauteile 50 im Inneren von dem Pulver 51 lösen. Zur Verstärkung der Ablöseeffekte kann die Filtereinrichtung 11 zusätzlich zur Drehbewegung auch in Schwingungen versetzt werden, beispielsweise durch Rütteln.
An einer inneren Oberfläche der Ummantelung der zylindrischen Filtereinrichtung 11 sind Fördereinrichtung 20 vorgesehen, welche den Pulverkuchen 52 bzw. die daraus gelösten Bauteile 50 von einer Einlassöffnung 14 zu einer Auslassöffnung 15 der prismenförmigen Filtereinrichtung 11 fördern. Die Fördereinrichtungen 20 sind in Form von Streifen ausgebildet und schließen einen Winkel α mit der Längsrichtung A der Filtereinrichtung 11 ein, vgl. 3, in der die Fördereinrichtung 11 in einer Schnittansicht dargestellt ist. Der Winkel α kann im Bereich von 1° bis 20°, bevorzugt im Bereich von 3° bis 10° liegen und besonders bevorzugt einenn Wert von 5° aufweisen. An der Innenseite der Filtereinrichtung 11 können wahlweise 1 bis 20, bevorzugt 5 bis 15 und besonders bevorzugt 8 Fördereinrichtungen 20 angeordnet sein. Sie verlaufen schraubenförmig entlang der inneren Oberfläche der Filtereinrichtung 11. Mit anderen Worten: die Fördereinrichtungen 20 sind ähnlich eines Innengewindes angeordnet, wobei sie jedoch aufgrund des niedrigen Steigungswinkels nur einzelne Abschnitte dieses Innengewindes darstellen. Diese Fördereinrichtungen 20 können als Bürsten oder als Gummielemente an der inneren Oberfläche angebracht sein und fungieren als Mitnehmer für die Bauteile 50. Während der Drehbewegung der Filtereinrichtung 11 nehmen die Fördereinrichtungen 20 die Bauteile 50, die sich beispielsweise am tiefsten Punkt der Filtereinrichtung 11 befinden, in Umfangrichtung der Filtereinrichtung 11 mit und heben diese damit entgegen der Schwerkraft auf einen höheren Punkt in dem Innenbereich der Filtereinrichtung 11 an. Unter Einwirkung der Schwerkraft fallen die Bauteile 50 wieder auf einen tieferen Punkt der Filtereinrichtung 11 herab. Hierbei werden die Bauteile 50 mit Schwingungen beaufschlagt, wodurch die das Pulver 51 gelöst wird. Durch die Rotationsbewegung der Filtereinrichtung 11 bewegen die Fördereinrichtungen 20 die Bauteile 50 zu der Auslassöffnung 15 hin.
Anschließend fallen die Bauteile 50 aus der Filtereinrichtung 11 heraus und gelangen auf eine Abführeinrichtung 17.
Um einen gewünschten Reinigungseffekt zu erzielen, wird die Filtereinrichtung 11 für eine vorbestimmte Zeitdauer entlang der Längsachse A gedreht. Diese Zeitdauer bzw. dieses Zeitintervall kann zwischen 10 Sekunden und 40 Minuten betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Drehbewegung für 25 Minuten aufrecht erhalten.
Die Abführeinrichtung 17 ist als schiefe Ebene ausgebildet und damit geeignet, um die Bauteile 50 von der Auslassöffnung 15 in einen Auffangbehälter 60 zu überführen. Die Abführeinrichtung 17 kann dabei Vibrationen durchführen, um die Bauteile 50 mit Schwingungen zu beaufschlagen. Dabei wird restliches, an den Bauteilen 50 anhaftendes Pulvermaterial gelöst. In 2 ist die Abführeinrichtung 17 als eine schiefe Ebene dargestellt, die ebenfalls als Sieb ausgebildet ist und Öffnungen aufweist, die pulverdurchgängig sind.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt die Trennung des Pulvers 51 von den Bauteilen 50 in zwei Stufen. Dabei wird in einem ersten Schritt der Pulverkuchen zerstört, wobei sich leicht lösliches Pulver von den Bauteilen abtrennen lässt mit Hilfe der Filtereinrichtung 11. In einem zweiten Schritt wird Pulvermaterial, welches verstärkt an den Bauteilen 50 anhaftet, mit Hilfe der Abführeinrichtung 17 abgetragen. Bei dem im ersten Schritt gelösten Pulver handelt es sich um wiederverwertbares Pulver, welches in einem nachfolgenden Lasersinterprozess erneut verwendet und dadurch recycelt werden kann. Das Pulver, das stärker an den Bauteilen 50 haftet, ist in einem vorhergehenden Lasersinterprozess bereits leicht aufgeschmolzen worden und gilt damit als verbraucht. Es wird nachdem es von den Bauteilen 50 getrennt wurde, entsorgt.
Zum Sammeln des abgelösten Pulvers 51 sind trichterförmige Auffangeinrichtungen 16a und 16b vorgesehen. Eine erste Auffangeinrichtung 16a ist unterhalb der Filtereinrichtung 11 angeordnet und befindet sich auf einer Seite der Ummantelung, die dem Innenbereich 13 gegenüber liegt. In 2 ist mit dem Pfeil A die axiale Längsrichtung der Filtereinrichtung 11 und mit dem Pfeil R die radiale Richtung der Filtereinrichtung 11 gekennzeichnet. Eine zweite Auffangeinrichtung 16b ist unterhalb der Abführeinrichtung 17 abgeordnet, so dass Pulver 52, welches sich auf der Abführeinrichtung 17 von den Bauteilen 50 löst gesammelt werden kann. Mit den Auffangeinrichtungen 16a und 16b kann das Pulver 51 aufgefangen und von den Bauteilen 50 im jeweiligen Trenn- bzw. Reinigungsprozessschritt abgeführt werden.
Zur Verstärkung der Ablöseeffekte des Pulvers 51 von den Bauteilen 50 sind die Auffangeinrichtungen 16a, 16b mit einer Absaugeinrichtung verbunden, mit der das Pulver kontrolliert abgesaugt werden kann. Dadurch wird eine ungewollte Verteilung des Pulvers in der Umgebung vermieden. Der Absaugeffekt kann durch geeignete Auswahl eines Unterdruckwertes derart verstärkt werden, dass die Absaugung zu Ablöseeffekten an den Bauteilen 50 führt. Somit werden die Pulverteile nicht alleine durch die Schwerkraft in die jeweilige Auffangeinrichtung überführt, sondern durch eine der Schwerkraft hinzukommende Absaugungskraft.
Alternativ können abschließend, d. h. nachdem die Bauteile 50 in den Auffangbehälter 60 aufgenommen wurden, diese in einem nachgeschalteten Schritt sandgestrahlt bzw. gleitgestrahlt werden, um letzte noch an den Bauteilen 50 verbliebene Pulverreste zu entfernen.
Erfindungsgemäß kann die Filtereinrichtung 11 mit einer Drehgeschwindigkeit im Bereich von 5 bis 30 Umdrehungen pro Minute rotiert werden. Bevorzugt wird ein Wert von 15 Umdrehungen pro Minute.
Alle im Vorhergehenden angegebenen Wertebereiche sollen dabei die Eckdaten mit umfassen.

Claims

Vorrichtung (10) zum Reinigen vom Bauteilen (50), insbesondere von im Sinterverfahren hergestellten Bauteilen mit: – einem Strukturelement (18) und – einer prismenförmigen Filtereinrichtung (11), die eine axiale Richtung (A) und eine radiale Richtung (R) aufweist, um ihre in axialer Richtung weisende Längsachse drehbar mit dem Strukturelement (18) in Verbindung steht und in radialer Richtung (R) von einer Ummantelung begrenzt wird, wobei in der Ummantelung eine Mehrzahl von Öffnungen angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Zuführeinrichtung (12), mit der die Bauteile (50) durch eine Einlassöffnung (14) der Filtereinrichtung (11) in einen Innenbereich (13) der Filtereinrichtung (11) einbringbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Innenbereich (13) zugewandten Oberfläche der Ummantelung Fördereinrichtungen angeordnet sind, mit denen die Bauteile (50) zumindest in axialer Richtung (A) von der Einlassöffnung (14) zu einer Auslassöffnung (15) der Filtereinrichtung (11) bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung (R) an einer Oberfläche der Ummantelung, die dem Innenbereich (13) abgewandt ist eine Auffangeinrichtung (16a) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Auslassöffnung (15) eine Abführeinrichtung (17) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Abführeinrichtung (17) eine zweite Auffangeinrichtung (16b) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffangeinrichtung (16a, 16b) mit einer Absaugung in Wirkverbindung stehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Abführeinrichtung (17) Schwingungen auf die Bauteile (50) übertragbar sind.
Verfahren zum Reinigen vom Bauteilen (50), insbesondere von im Sinterverfahren hergestellten Bauteilen mit den Schritten: – Einbringen der Bauteile (50) in einen Innenbereich (13) einer Filtereinrichtung (11), – Erzeugen einer Drehbewegung der Filtereinrichtung (11) um eine Rotationsachse (A), – Auffangen des von den Bauteilen (50) gelösten Pulvers.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch den Schritt: – Absaugen des Pulvers aus dem Innenbereich (13) der Filtereinrichtung (13).
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (50) nach dem Durchlaufen der Filtereinrichtung (11) auf eine Abführeinrichtung (17) aufgebracht und mit Schwingungen beaufschlagt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (11) mit einer Rotationsgeschwindigkeit im Bereich von 5 bis 30 U/min, bevorzugt mit 15 U/min rotiert wird, während sich die Bauteile (50) in einem Innenbereich (13) befinden.