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Pulverhandling im 3D-Druck Deshalb rückt das Pulverhandling besonders in den Fokus

| Autor: Sabine Mühlenkamp

Spricht man über derzeitige Industrietrends, wird die additive Fertigung schnell genannt. Welche andere Fertigungstechnologie hat sich in den vergangen fünf Jahren schon so rasant entwickelt? So ist das Verfahren bei der Herstellung von Prototypen längst gesetzt, mittlerweile löst es jedoch auch konventionelle Verfahren ab. Dabei rückt das Pulverhandling besonders in den Fokus.

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Mit Hilfe der von 3M entwickelten Technologie können erstmals vollfluorierte Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE) mittels 3D-Druck verarbeitet werden.
Mit Hilfe der von 3M entwickelten Technologie können erstmals vollfluorierte Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE) mittels 3D-Druck verarbeitet werden.
(Bild: 3M )

Bis 2030 soll der weltweite Markt für 3D-Druck-Produkte in der Industrie durchschnittlich zwischen 13 und 23 % pro Jahr auf ein Marktvolumen von 22,6 Milliarden Euro anwachsen, wie eine Analyse von Strategy&, der Strategieberatung von PwC, in Kooperation mit den 3D-Druck-Spezialisten von Materialise aus dem Jahr 2018 zeigte. Im Blickpunkt stehen demnach die Branchen Luft- und Raumfahrt mit durchschnittlichen jährlichen Wachstumsraten von 23 % und die Automobilindustrie (+15 %). Auch für die Medizintechnik werden durchschnittliche Wachstumsraten von 23 % pro Jahr prognostiziert, gefolgt von der Industrie (+14 %) und dem Einzelhandel (+13 %).

Interessant ist das Thema 3D-Druck oder die additive Fertigung vor allem deshalb, weil sich zum einen bewährte Geschäftsprozesse und -modelle verändern und zum anderen ganz andere Konstruktionen möglich sind.

Wie gelingt der Sprung in die Serienproduktion?

War die Branche bis vor einigen Jahren noch vom Ausprobieren und der Suche nach Effizienzsteigerung geprägt, liegt heute der Fokus auf der Stabilität der Verfahren, der Prozesssicherheit sowie der Automatisierung. Gerade beim Thema Pulverhandling ist derzeit immer noch Handarbeit gefragt. In Bezug auf eine zunehmende Serienproduktion muss sich dies jedoch ändern – hier ist ein geschlossener Pulverkreislauf das Ziel.

Allerdings müssen hier vielfältige Aspekte beachtet werden. Wie lässt sich z.B. nicht-genutztes Pulver wiederverwenden? Auch das Thema Sicherheit spielt eine große Rolle, etwa in puncto Abluft oder auch in Bezug auf den Explosionsschutz. Eine weitere Herausforderung: Es gibt zwar Anlagen, die mit ein- und demselben Pulver rund um die Uhr laufen. Aber es liegt in der Natur des Verfahrens, dass diese Pulver bei kleinen Stückzahlen auch wechseln können. Jedes pulverförmige Produkt hat eine andere Schüttdichte und ein anderes Fließverhalten. Die Zuleitungen sind sehr viel kleiner als es in Schüttgutprozessen normalerweise der Fall ist. Ganz abgesehen davon, dass bei einem Produktwechsel mitunter komplizierte Reinigungsvorgänge nötig sind. Im Metallbereich muss zudem die Gesundheit der Mitarbeiter beachtet werden, hier werden die Anlagen – und damit auch der Förderprozess – unter Argonatmosphäre gefahren.

Dies sind Gründe genug, warum sich einige Firmen intensiver mit dem Thema Pulverhandling in der additiven Fertigung auseinander setzen.

Geschlossene Pulverkreisläufe sorgen für Stabilität

So kann etwa mit den Piflow P Smart Vakuumförderern von Piab das Pulver im Produktionsprozess so an die Systeme der additiven Fertigung transferiert werden, dass keine Mitarbeiter durch Partikel belastet werden.

Die Produktionszeit im 3D-Druckprozess kann relativ lang sein und die aktiven Förderzeiten sind gering. Durch die automatische Abschaltung der Vakuumpumpe im Leerlauf arbeitet der Piab-Vakuumförderer energieeffizient, insbesondere im Vergleich zu mechanischen Pumpen, die im Leerlauf weiterlaufen müssen.

Neben der Förderung von Neupulver werden die Vakuumförderer auch eingesetzt, um überschüssiges Pulver aus der Produktion wieder in den Produktionszyklus zurückzuführen. In diesem Fall wird das restliche Pulver mit einer Saugförderung mit der Vakuumpumpe des Förderers aufgenommen und durch ein Sieb in einen Behälter entleert. Von dort aus wird das Pulver über den Vakuumförderer und einen Schlauch in den Produktionskreislauf zurückgeführt. Auf diese Weise wird der Kreislauf geschlossen. Interessant ist, dass Piab die additive Fertigung selbst für die Herstellung seiner eigenen Produkte nutzt. Bereits heute werden mit diesem Verfahren kundenspezifische Greifer für das Handling von Säcken bei der Verpackung von Lebensmitteln hergestellt.

Auch die Pulverhandling-Systeme von IB Verfahrenstechnik sind für den Einsatz im Bereich des Pulverbettverfahrens konzipiert. Im industriellen 3D-Metalldruck hat sich das Selektive Laser Melting (SLM) als Standard-Verfahren etabliert. Hierbei werden häufig Pulver wie Titan, Aluminium, Edelstahl und Nickel-Legierungen verwendet.

Im 3D-Kunststoffdruck kommen Pulver insbesondere bei dem Selektiven Laser Sintern (SLS) zum Einsatz. Bereits seit zehn Jahren arbeitet das Unternehmen mit namhaften Herstellern von 3D-Drucksystemen zusammen und sieht viele Vorteile im professionellen Pulvermanagement. So wird weniger Personal benötigt, kein Pulver durch Verschütten verschwendet und die Arbeitsplatzbelastung durch geschlossene Pulverkreisläufe reduziert. Dank reproduzierbarer Pulverqualität wird zudem die Prozessstabilität gesteigert.

Gemeinsam das Pulverhandling automatisieren

Um die additive Fertigung als industrielles Serienverfahren zu etablieren, haben sich jetzt auch drei Mittelständler zu dem Firmennetzwerk AM Powder Plus (AMP+) zusammengeschlossen. Gemeinsam bieten Assonic Dorstener Siebtechnik, Solukon Maschinenbau und ULT eine integrierte Lösung für ein hochgradig automatisiertes Teile- und Pulverhandling im SLM-Prozess (Selective Laser Melting) an. Auf die Idee sind die Unternehmen gestoßen, als sie Schwachpunkte in SLM-Prozessketten entdeckt haben. Der neue Ansatz von „AMP+“ will den Bogen vom sicheren Entpulvern additiv gefertigter Bauteile zu einer qualifizierten Aufbereitung überschüssiger Pulver schließen.

Für einen konstanten SLM-Prozesses ist es nötig, dieses Pulver zu sammeln, zu sieben, zu trocknen und anschließend in den Prozess zurückzuführen. Jede der drei Firmen bringt dabei ihre spezielle Kenntnis und Erfahrungen ein:

Assonic entwickelt und fertigt Hightech-Siebmaschinen, deren Siebbeläge per Ultraschall in Frequenzen zwischen 30 und 38 Kilohertz angeregt werden. Durch Zuführen von frischem Pulver und eine gemeinsam mit ULT entwickelten Trocknungstechnologie auf Soprtionsbasis wird jene hohe Pulverqualität erreicht, die in einer qualitätsgesicherten SLM-Fertigung wichtig ist. Das Aufbereitungs-Know-how für die produktive Entnahme- und Entpulverung bringt Solukon Maschinenbau mit.

ULT als weiterer Partner bringt seine Erfahrung über lufttechnische Anlagen ein und die hocheffiziente Prozesslufttrocknung. Letzterer kommt eine Schlüsselfunktion für den stabilen Betrieb von SLM-Anlagen zu. Denn, wenn die feinen metallischen Pulvermaterialien Luftfeuchte aufnehmen, werden sie für die sensiblen SLM-Prozesse unbrauchbar, zumal sie dann zum Verklumpen und Oxidieren neigen.

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