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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur additiven Fertigung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Anlage zur additiven Fertigung.
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Aus dem Stand der Technik ist, wie in der
DE 10 2006 010 928 A1 beschrieben, ein Recycelsystem für Lasersinterpulver bekannt. Eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus einem Pulver umfasst eine Kammer, in der ein schichtweiser Aufbauprozess durchgeführt wird, um dreidimensionale Objekte herzustellen. Die Kammer weist eine erste Seite und eine entgegengesetzt liegende zweite Seite auf. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren einen Pulverzufuhrtrichter, welcher an der ersten Seite der Kammer angeordnet ist, um eine Menge von Pulver in die Kammer abzulagern. Dem Zufuhrtrichter wird Pulver von einer Pulverzufuhrleitung zugeführt. Die Vorrichtung umfasst zudem ein Verteilmittel, welches benachbart zu dem Zufuhrtrichter angeordnet ist, um die Menge an Pulver in der Kammer zu verteilen. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Empfangsvorrichtung, um überschüssiges Pulver zu empfangen, welches von dem Verteilmittel bereitgestellt wird. Die Empfangsvorrichtung ist benachbart zu wenigstens einer Seite der Prozesskammer angeordnet. Die Vorrichtung umfasst zudem eine pneumatische Fördervorrichtung in Strömungskommunikation mit der Empfangsvorrichtung, um das überschüssige Pulver zu dem Pulverzufuhrtrichter zurückzuführen.
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In der
WO 2022/147500 A1 werden recycelte Polymere für den 3D-Druck beschrieben. Abfallprodukte aus verschiedenen Prozessen werden zu Pulvern verarbeitet, deren Partikelgröße und -verteilung für eine 3D-Drucktechnologie, die als Composite Based Additive Manufacturing (CBAM) bekannt ist, optimal sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur additiven Fertigung und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Anlage zur additiven Fertigung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur additiven Fertigung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Anlage zur additiven Fertigung mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur additiven Fertigung werden Bauteile mittels selektivem Lasersintern (SLS) hergestellt und danach Altpulver von den fertiggestellten Bauteilen getrennt. Das selektive Lasersintern ist ein additives Fertigungsverfahren. Die additive Fertigung wird auch als 3D-Druck bezeichnet. Das selektive Lasersintern ist somit ein 3D-Druckverfahren.
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Erfindungsgemäß wird ein Anteil des Altpulvers granuliert und das dadurch erzeugte Granulat wird in einem anderen additiven Fertigungsverfahren, also in einem anderen 3D-Druckverfahren, verwendet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Granulat in dem anderen additiven Fertigungsverfahren mittels eines Extruders erwärmt und dann insbesondere schichtweise wieder aufgetragen, insbesondere auf eine Arbeitsplattform, auf welcher ein Werkstück mittels dieses anderen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird, und/oder auf einen bereits fertiggestellten Bereich des Werkstücks und/oder auf einen Werkstückrohling aufgetragen wird. Dieses andere additive Fertigungsverfahren ist beispielsweise Fused Deposition Modeling (FDM), auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF), oder ähnlich einem solchen FDM-Prozess.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Granulieren des Altpulvers innerhalb einer Prozesskette des selektiven Lasersinterns oder unmittelbar anschließend an diese Prozesskette durchgeführt wird.
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Beispielsweise wird/werden dem Altpulver vor dem Granulieren und/oder während des Granulierens mindestens ein Zusatzstoff und/oder Füllstoff oder mehrere Zusatzstoffe und/oder Füllstoffe zugesetzt, zum Beispiel Glas, Glasfasern und/oder Farbpigmente.
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Eine erfindungsgemäße Anlage zur additiven Fertigung wird betrieben mittels dieses Verfahrens und weist eine Anlage zum selektiven Lasersintern und eine Anlage zur Herstellung von Granulat aus einem Anteil des Altpulvers aus der Anlage zum selektiven Lasersintern auf. Beispielsweise weist sie zusätzlich auch eine Anlage zur Durchführung des anderen additiven Fertigungsverfahrens auf.
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Durch die beschriebene Lösung wird eine Wiederverwendung des Altpulvers erheblich verbessert, d. h. es kann eine wesentlich größere Menge des Altpulvers für die additive Fertigung verwendet werden, indem der Anteil des Altpulvers, der nicht wieder dem selektiven Lasersintern zugeführt werden kann, granuliert wird und danach in einem anderen additiven Fertigungsverfahren verwendet werden kann. Dadurch wird eine Abfallmenge reduziert und es werden eine Kosteneinsparung, eine Ressourcenschonung, eine geschlossene Materialrückführung ohne Logistik, „Green Produktion“, eine Wiederverwertung, eine schnelle Herstellung und ein „grüner Fußabdruck“ erreicht.
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Beim selektiven Lasersinterprozess wird Pulver mittels eines Lasers schichtweise versintert. Altpulver wird gesiebt, gemäß einem vorgegebenen Mischverhältnis mittels eines Mischers gemischt, insbesondere mit Neupulver und Prozesspulver, und auf diese Weise wieder dem selektiven Lasersinterprozess zugeführt. Durch den Lasersinterprozess entsteht jedoch mehr Altpulver als gemäß diesem vorgegebenen Mischverhältnis neuem Pulver hinzugemischt werden kann. Daher wird bisher das überschüssige Altpulver entsorgt.
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Durch die hier beschriebene Lösung wird dies vermieden. Hierzu ist die Granulieranlage, d. h. die Anlage zur Herstellung von Granulat aus dem überschüssigen Anteil des Altpulvers aus der Anlage zum selektiven Lasersintern, vorteilhafterweise in die Anlage zur additiven Fertigung integriert. Sie schließt sich vorteilhafterweise an die Anlage zum selektiven Lasersintern an. Dadurch kann das überschüssige Altpulver granuliert werden, wobei es beispielsweise vor dem Granulieren und/oder während des Granulierens mit Zusatzstoffen und/oder Füllstoffen, beispielsweise Glas, Glasfasern und/oder Farbpigmenten, vermischt wird. Das entstandene Granulat kann dann, insbesondere über einen Trockner und beispielsweise über eine Vakuumpumpe, zu einem Extruder, insbesondere zu einer Granulatdirektextrusion, gefördert werden. Auf diese Weise wird das überschüssige Altpulver recycelt und es können damit neue Bauteile hergestellt werden, beispielsweise Prototypen und/oder Betriebsmittel.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum Betrieb einer Anlage zur additiven Fertigung.
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Anhand 1 werden im Folgenden eine Anlage 1 zur additiven Fertigung und ein Verfahren zu deren Betrieb beschrieben. Eine im Folgenden beschriebene Prozesskette, welche mittels dieser Anlage 1 durchgeführt wird, ist insbesondere eine geschlossene Prozesskette und insbesondere automatisiert.
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Die Anlage 1 zur additiven Fertigung weist eine Anlage 2 zum selektiven Lasersintern auf.
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Beim selektiven Lasersintern wird Pulver P verarbeitet. Am Anfang der Prozesskette steht ein Pulvermanagement. Das Pulver P wird beispielsweise in Silos aufbewahrt. In einem vorgegebenen Mischverhältnis wird Neupulver N, Altpulver A und Prozesspulver PP einer Pulveraufbereitung 3 zugeführt, in einem Mischer gemischt und, insbesondere mittels Vakuumförderung, zu einem 3D-Drucker 4 gefördert, der das selektive Lasersintern durchführt.
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Das Prozesspulver PP wird auch als Overflow bezeichnet. Dieses Prozesspulver PP fällt bei einem Erzeugen einer jeweiligen Pulverschicht vor einem jeweiligen Lasersinterschritt an. Dabei wird die Pulverschicht beispielsweise mittels einer Rakel glattgestrichen und überschüssiges Pulver abgestrichen, um eine gleichmäßige vorgegebene Höhe der Pulverschicht zu erreichen. Das dabei abgestrichene überschüssige Pulver ist das Prozesspulver PP. Da dieses Prozesspulver PP nur sehr kurz im 3D-Drucker 4 vorliegenden Umgebungsbedingungen ausgesetzt war, bevor es wieder abgestrichen wurde, ist es nicht oder nur vernachlässigbar verändert. Daher wird das Prozesspulver PP nach dem Fertigungsprozess wieder aus dem 3D-Drucker 4 dem Pulvermanagement zugeführt. Es wird somit insbesondere in das Silo für das Prozesspulver PP eingefüllt, wie in 1 dargestellt, und kann somit der Pulveraufbereitung 3 zugeführt und im Mischer mit dem Neupulver N und dem Altpulver A vermischt werden.
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Die Silos sind vorteilhafterweise mit Sensoren bestückt. Dadurch ist automatisiert sichergestellt bzw. wird gesteuert, dass sich in jedem Silo eine erforderliche Pulvermenge befindet.
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Ein so genannter fertiggestellter Baujob 5, d. h. die fertiggestellten Bauteile und diese Bauteile umgebendes noch nicht gesintertes Altpulver A, wird aus dem 3D-Drucker 4 entnommen und einer Auspackstation 6 zugeführt. Der Baujob 5 befindet sich dabei insbesondere auf einer Sinterplattform 7, welche anschließend wieder in den 3D-Drucker 4 befördert wird, um darauf erneut Bauteile zu sintern.
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In der Auspackstation 6 erfolgt ein, insbesondere automatisiertes Entpacken und Reinigen der Bauteile. Das Altpulver A wird von den fertiggestellten Bauteilen getrennt. Die Bauteile werden beispielsweise gestrahlt und gereinigt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass in diesem Prozess Abfallpulver AP, welches mit kleinsten Partikeln verunreinigt ist und nicht wiederverwendet werden kann, von dem Altpulver A durch Sieben, insbesondere in der Auspackstation 6, getrennt und als Abfall entsorgt wird.
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Zusammengefasst werden somit Bauteile mittels selektivem Lasersintern hergestellt und danach wird das Altpulver A von den fertiggestellten Bauteilen getrennt.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Altpulver A dann nochmals mit einem Sieb 8 gesiebt wird, zum Beispiel mit einem Ultraschallsieb. Ein wieder für das selektive Lasersintern verwendbarer Anteil VA des Altpulvers A wird dann wieder dem Pulvermanagement zugeführt, insbesondere in das Silo für das Altpulver A eingefüllt, und kann somit der Pulveraufbereitung 3 zugeführt und im Mischer mit dem Neupulver N und dem Prozesspulver PP vermischt werden und somit wiederverwertet werden.
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In dem Prozess des selektiven Lasersintern wird das Pulver P während des Prozesses, d. h. während des Ablaufs des 3D-Drucks, auf Temperaturen knapp unterhalb der Schmelztemperatur erwärmt und bis zum Ende des Herstellungsprozesses der Bauteile auf dieser Temperatur gehalten. Dadurch erfolgt eine physikalische und chemische Alterung des Pulvers P. Es kann somit nicht nur Altpulver A für das selektive Lasersintern verwendet werden, sondern das Altpulver A muss mit Neupulver N und Prozesspulver PP im vorgegebenen Mischverhältnis gemischt werden. Dadurch entsteht bei jedem Herstellungsvorgang von Bauteilen mittels des 3D-Druckers 4 mehr Altpulver A als im selektiven Lasersintern wiederverwendet werden kann.
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Bisher wurde das gesamte Altpulver A im Silo für das Altpulver A gesammelt. Sobald sensorisch eine Überschreitung eines vorgegebenen Füllstands des Silos überschritten wurde, wurde überschüssiges Altpulver A aus dem Silo abgelassen und als Abfall entsorgt.
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Durch die hier beschriebene Lösung wird dies vermieden, indem ein Anteil UA des Altpulvers A, genauer gesagt der überschüssige Anteil UA des Altpulvers A, welcher nicht wieder für das selektive Lasersintern verwendet werden kann, granuliert wird und das Granulat in einem anderen additiven Fertigungsverfahren verwendet wird.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Granulieren des Altpulvers A innerhalb einer Prozesskette des selektiven Lasersinterns oder unmittelbar anschließend an diese Prozesskette durchgeführt wird.
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Der überschüssige Anteil UA des Altpulvers A wird insbesondere zunächst in einem Feinsieb 9 feingesiebt und dann, insbesondere über eine Vakuumförderung, direkt einer Granulieranlage 10 zugeführt. Hierbei werden beispielsweise noch Zusatzstoffe Z und/oder Füllstoffe F, beispielsweise Glas, Glasfasern und/oder Farbpigmente, dem Altpulver A zugeführt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass auch die Granulieranlage 10, d. h. die Anlage zur Herstellung von Granulat aus diesem Anteil UA des Altpulvers A, ein Bestandteil der Anlage 1 zur additiven Fertigung ist.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass automatisiert über eine Sensorik gesteuert wird, ob das jeweils anfallende Altpulver A dem Pulvermanagement der Anlage 2 zum selektiven Lasersintern zugeführt wird, insbesondere in das Silo für das Altpulver A eingefüllt wird, oder in den Folgeprozess der Granulatherstellung umgeleitet wird. Hierzu ist im dargestellten Beispiel eine automatisiert entsprechend ansteuerbare Weiche 11 vorgesehen, welche entweder einen Abzweig zum Silo für das Altpulver A oder einen Abzweig zur Granulieranlage 10 öffnet.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Granulat, insbesondere über eine Vakuumförderung, einem Trockner 12 zugeführt und getrocknet wird. Vorteilhafterweise werden ein Füllstand und die Feuchtigkeit des Granulats im Trockner 12 mittels einer entsprechenden Sensorik überwacht. Der Trockner 12 ist insbesondere ebenfalls ein Bestandteil der Anlage 1 zur additiven Fertigung.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Granulat anschließend über eine Granulatextrusion weiterverarbeitet wird. Dabei wird das Granulat mittels eines Extruders 13 erwärmt und dann schichtweise wieder aufgetragen, ähnlich einem FDM-Prozess. So entstehen beispielsweise Betriebsmittel oder große formgebende Vorrichtungen für die Fertigung. Das Granulat wird somit auf diese Weise in einem anderen additiven Fertigungsverfahren verwendet, insbesondere indem es mittels des Extruders 13 erwärmt und auf eine Arbeitsplattform, auf welcher ein Werkstück mittels dieses anderen additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird, und/oder auf einen bereits fertiggestellten Bereich des Werkstücks und/oder auf einen Werkstückrohling aufgetragen wird.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass auch eine Anlage 14 zur Durchführung dieses anderen additiven Fertigungsverfahrens, aufweisend insbesondere den Extruder 13, ein Bestandteil der Anlage 1 zur additiven Fertigung ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006010928 A1 [0002]
- WO 2022147500 A1 [0003]