Vermahlung Feine Polymerpulver für die additive Fertigung

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Wie gelingt es, Pulver mit einer definierten Korngröße herzustellen und dabei die Kosten im Blick zu halten? Die kryogene Vermahlung bietet hier einen guten Weg, vorausgesetzt die Mühle wurde an die Aufgaben entsprechend angepasst.

Die additive Fertigung von Bauteilen aus Metall oder Polymeren rückt für viele Industriebereiche immer mehr in den Fokus. Ein wichtiges Verfahren für den 3D-Druck von Polymeren stellt das Selective Laser Sintering (SLS) dar. Dabei werden feine Polymerpulver im Pulverbett mittels Laser zu dreidimensionalen Körpern gesintert. Dieses Druckverfahren erfordert jedoch Polymerpulver mit einer Partikelgröße von etwa d₉₀ = 100 μm. Die Herstellung solch feiner Pulver erfolgt u.a. durch kryogene Zerkleinerung. Bei diesem Verfahren werden Polymergranulate durch flüssigen Stickstoff (LN₂) versprödet und in einer Stiftmühle zerkleinert. Der spezifische Verbrauch an Flüssigstickstoff stellt einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Hosokawa Alpine bietet verschiedene Lösungen an, diesen zu senken. Mit einem effizienten Mühle-Klassierer-Kreislauf können außerdem die Produktanforderungen sichergestellt und die Betriebskosten minimiert werden.

Die richtige Wahl für die kryogene Zerkleinerung

Bei der kryogenen Zerkleinerung muss das Aufgabematerial zunächst versprödet werden. Dazu wird es in einem Wirbelschneckenkühler (WSK) mittels Zugabe von LN₂ auf eine Temperatur von ungefähr -190 °C gekühlt. Die Verweilzeit im WSK wird so gewählt, dass die Granulatpartikel diese Temperatur bis in ihren Kern annehmen. Um den Flüssigstickstoff möglichst effizient auszunutzen, wird die Granulatschüttung entlang der Förderstrecke permanent mit LN₂ bedüst. Im Anschluss an die Versprödung erfolgt die Zerkleinerung in einer Stiftmühle. Dafür eignet sich die Hosokawa Alpine Contraplex Weitkammermühle CW 250 II. Die CW-II-Baureihe wurde einem weitgehenden Re-Design unterworfen, das insbesondere auf die Erfordernisse der kryogenen Zerkleinerung schwieriger Aufgabegüter gerichtet war. In der Mühle arbeiten zwei gegenläufig rotierende Stiftscheiben mit Umfangsgeschwindigkeiten am äußeren Schlagkreis von bis zu je 120 m/s. Damit können Relativgeschwindigkeiten von bis zu 240 m/s realisiert werden. Um den durch die Zerkleinerung hervorgerufenen Energieeintrag zu kompensieren, kann im Einlaufbereich der Mühle Flüssigstickstoff zur weiteren Kühlung eingedüst werden.

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Geometrie entscheidet über effiziente Dosierung

Durch die LN₂-Eindüsung kann die Mühlenaustrittstemperatur konstant auf eine Solltemperatur geregelt werden. Das ist wichtig, denn damit liegt das Mahlgut in der Mahlzone zu jeder Zeit deutlich unterhalb seiner Glastemperatur. Außerdem werden so Pro­duktansätze vermieden. Je nach Art des Polymers werden standardmäßig Temperaturen von -20 bis -50 °C eingestellt. Für PA-6 hat sich gezeigt, dass eine Erhöhung der Mühlenaustrittstemperatur von standardmäßig -40 auf -10 °C ausreichend ist, um ein Anschmelzen der Partikel in der Mühle zu vermeiden. Der dadurch niedrigere LN₂-Verbrauch wirkt sich unmittelbar positiv auf die Betriebskosten aus.

Die Kaltmahlung ist hinsichtlich der spezifischen Betriebskosten am effizientesten, wenn die Mühle mit einem maximalen Aufgabegut-Durchsatz bis zum Erreichen der Nennleistung des Mühlenantriebes beaufschlagt wird. Ein gleichmäßiger Produktaustrag aus dem WSK hilft, Leistungs- bzw. Stromspitzen zu vermeiden. Die Aufgabegut-Dosierung kann für höhere Durchsätze angepasst werden, ohne Gefahr zu laufen, dass zu hohe Schwankungen des Aufgabegut-Durchsatzes zu unerwünschten Stromspitzen und in ungünstigsten Fällen zu einem Produktionsstopp führen. Untersuchungen zur Optimierung des Produktabwurfes durch kons­truktive Maßnahmen am WSK wurden mit DEM-Simulationen gestützt durchgeführt und im Technikum erfolgreich getestet. Der größte Effekt bezüglich einer Vergleichmäßigung wurde durch die Überarbeitung der Schneckengeometrie am Austritt des WSK erreicht.

Anpassungen an den Stiftscheiben

Eine weitere Optimierung der Betriebskosten erfolgt durch eine Abstimmung der Kaltmahlung mit der Siebung oder Sichtung, sofern die Zielfeinheit ohne eine nachfolgende Klassierung nicht erreichbar ist. Bei der Mahlung sollte ein möglichst hoher Durchsatz an feinem Mahlprodukt z.B. unter 100 μm generiert und dem Klassierschritt angeboten werden. Dadurch wird prinzipiell eine höhere Ausbeute am Endprodukt ermöglicht. Dies kann erreicht werden, indem das Setup der Stiftscheiben entsprechend angepasst und die Mühle unter Volllast betrieben wird. Zu den Anpassungen zählen etwa Änderungen in der Anzahl und Dimensionen der Prallstifte. Durch eine Reduzierung deren Anzahl sinkt die Leerlaufleistung, und somit kann ein höherer Aufgabegut-Durchsatz realisiert werden. Durch die niedrigere Beanspruchungshäufigkeit stellt sich im Vergleich eine etwas gröbere Partikelgröße ein. Dennoch wird dabei ein höherer Durchsatz an Feingut kleiner 100 μm erzielt. Bezogen auf die reine Kaltmahlung mit der CW 250 II reduzieren sich bei höheren Aufgabegut-Durchsätzen zudem die spezifischen Betriebskosten.

Intelligentes Anlagenkonzept reduziert Betriebskosten

Polymerpulver mit der Zielspezifikation d₉₀=100 μm sind oft nur durch eine nachgelagerte Klassierung mit einem Sieb oder Windsichter bzw. in einem Kreislauf beider Prozesse mit automatischer Rückführung des Grobgutes herstellbar. Durch ein intelligentes Anlagenkonzept bei einem Kreislaufprozess kann der bei der kryogenen Zerkleinerung verdampfte Flüssigstickstoff unmittelbar als Kreisgas für die Klassierung genutzt werden. Dadurch entfällt der sonst notwendige Einsatz von gasförmigem Stickstoff, der für den inerten Betrieb benötigt wird. Das im Kreis geführte Stickstoffgas ist frei von Feuchtigkeit, welche an den Partikeloberflächen kondensieren könnte. Es sorgt so dafür, dass keine zusätzliche Konditionierung des Gases für die Klassierung notwendig ist. Eine Agglomeration wird auf diese Weise vermieden.

Bei gleichbleibender Trennschärfe des Klassierers ist der Durchsatz des Endproduktes umso höher, je feiner das Material ist. Durch den besseren Feingutauszug muss entsprechend weniger Grobgut in den Mahlprozess zurückgeführt werden. Die niedrigere Umlaufmenge wirkt sich daher positiv auf die Gesamtbetriebskosten des Mahl- bzw. Mahlsichtkreislaufes aus.

Die Versuche haben gezeigt, dass es ein Optimum in der Feinheit gibt, in der die spezifischen Betriebskosten für die Herstellung von Polymerpulvern mit der Feinheit d₉₀=100 μm ein Minimum aufweisen. Für das untersuchte PA-6 ergibt sich dabei ein optimaler Betriebspunkt der CW 250 II, in der der erzeugte Feinanteil kleiner als 100 μm bei etwa 65 Prozent liegt.

Für das relativ gut mahlbare PA-6 kann die Feinheit in der Mühle in einem großen Bereich eingestellt werden, sodass sich ein Optimum aus den oben erwähnten Gründen zeigt. Für schlechter mahlbare TPU-Sorten konnte kein derartiges Optimum beobachtet werden. Die niedrigsten Betriebskosten liegen hier im Allgemeinen bei einer Fahrweise mit erhöhtem Aufgabegut-Durchsatz.

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