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3D-Metalldruck

Automatisiertes Entpulvern von SLM-Bauteilen

| Autor: Simone Käfer

Automatisierte Entpulverung in der Additiven Fertigung: Die Reinigungsmaschinen von Solukon drehen Bauteile in mehrere Achsen, sodass das Restpulver herausrieselt.
Automatisierte Entpulverung in der Additiven Fertigung: Die Reinigungsmaschinen von Solukon drehen Bauteile in mehrere Achsen, sodass das Restpulver herausrieselt. (Bild: ©Stefano Pepperino - stock.adobe.com)

Bei Toolcraft werden 3D-gedruckten Bauteile automatisiert entpulvert. Mit welchen Maschinen dem Auftragsfertiger das gelingt, hat er dem MM Maschinenmarkt erklärt.

  • Der Auftragsfertiger Toolcraft hat zur Entpulverung seiner per SLM-Verfahren hergestellten Bauteile zwei Reinigungskabinen von Solukon in Betrieb.
  • Über das Datenmodell des Bauteils errechnet die Reinigungsmaschine die Bewegungen ihrer Achsen. In Kombination mit Vibration rieselt das überschüssige Pulver aus den Hohlräumen.
  • Der automatisierte Prozess liefert konstante und reproduzierbare Ergebnisse.

Über schlechte Qualität beschweren kann sich jeder. Toolcraft entschied sich für eigene Gehversuche – und steckt nun mit viel Engagement mittendrin im Thema. Ab etwa 2005 erhielt der Metalllohnfertiger Aufträge zur Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Bauteilen. „Deren Qualität ließ damals für eine industrielle Reife der Technik noch zu wünschen übrig“, schildert Christoph Hauck, Geschäftsführer von Toolcraft, die Ursache. Also entschied man 2011, selbst in die Additive Fertigung einzusteigen und erwarb eine M2 Cusing von Concept Laser. Inzwischen besitzt Toolcraft insgesamt neun Anlagen für das selektive Laserschmelzen (SLM) von Concept Laser, EOS sowie Trumpf und beschäftigt zwanzig Mitarbeiter, die sich von Datenaufbereitung bis Nachbearbeitung mit der Technik befassen. Auch wurde eine Halle für die Additive Fertigung gebaut. Abgesehen davon, dass man die Produktion additiver Bauteile zentralisieren wollte, gehörten auch Arbeitsschutzmaßnahmen zu dieser Erweiterung. So ist beispielsweise ein Luftreinigungssystem installiert, das sechs Mal pro Stunde die Luft komplett austauscht, um Mitarbeiter vor möglichen Pulverpartikeln zu schützen. Außerdem sind an die Halle verfahrensspezifische Arbeitsschritte ein- und angelagert, die wie die Pulverentfernung auf den Baujob folgen.

Die Pulverentfernung ist beim Laserschmelzen – und auch bei der Kunststoffvariante, dem selektiven Lasersintern – ein oft händischer Prozess, der nur wenig automatisiert ist. Erst vor Kurzem wurde das maschinelle Reinigen von Bauteilen aus Pulverbettverfahren als Geschäftsfeld entdeckt. Darauf spezialisiert hat sich Solukon, das 2014 seine erste Reinigungskabine vorstellte. Von ihm hat Toolcraft zwei Maschinen erstanden: eine SFM-AT800 und eine SFM-AT300.

Umfrage zum Postprocessing Für MM Maschinenmarkt planen wir einen Artikel zum Thema „Nachbearbeitung 3D-gedruckter Teile”. Folgende Fragen hätten wir an Sie als Anwender:
  1. Wie erfolgt bei Ihnen die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile?
  2. Welcher Nachbearbeitungsschritt erfordert den höchsten Aufwand?
  3. Was haben Sie bisher unternommen, um den Nachbearbeitungsaufwand zu senken?
  4. Was planen Sie in näherer Zukunft, um den Nachbearbeitungsaufwand zu senken?
  5. Welche Möglichkeiten zur Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile vermissen Sie bei den aktuell erhältlichen Maschinen und Verfahren?
Haben Sie bereits Erfahrungen als Anwender und sind Sie bereit, sich auch in einem Zeitschriftenartikel zitieren zu lassen? Dann senden Sie Ihre Antworten, gerne zusammen mit einem Porträtfoto an: Stéphane Itasse und Simone Käfer. Vielen Dank im Voraus für Ihre Unterstützung!

Mit Rotation und Vibration zur Befreiung

Nachdem eine Laserschmelzanlage ihren Baujob erledigt hat, wird das lose Restpulver, von dem die Bauteile komplett bedeckt sind, in der entsprechenden Entpackstation abgesaugt. Zumindest die größten, außerhalb des Bauteils befindlichen Pulvermengen werden so entfernt. Aber die Bauteile sollen auch im Innern entpulvert werden. Dazu bringen sie Mitarbeiter in den nächsten Raum. Dort wird die Bauplatte in eine Solukon-Maschine montiert. Um das Metallpulver aus den innen liegenden Hohlräumen zu bekommen, dreht die SFM-AT800 mit ihren zwei Achsen vollautomatisiert die Bauplatte und vibriert dabei, wodurch das Pulver herausrieselt. „Es handelt sich nicht nur um einen Entpulverungs-, sondern vielmehr um einen Reinigungsprozess“, beschreibt Uwe Schulmeister, Bereichsleiter Metalllaserschmelzen bei Toolcraft, den Vorgang. „Erst die Kombination von Vibration und Drehungen macht das Verfahren so effektiv“, ist sich Schulmeister sicher. Die Bewegung der Achsen kann programmiert werden, wobei Anwender verschiedene Bauteilstellungen abspeichern können und die Software diese auch miteinander verknüpft. Dazu nutzt sie das Datenmodell der Bauteile. Dadurch soll sichergestellt sein, dass sich auch geometrisch komplexe Hohlräume von überschüssigem Pulver leeren und enge Stützstrukturen kein Restpulver bevorraten. Auch programmierbar ist, dass das Bauteil auf einer bestimmten Position gehalten wird. Dann kann beispielsweise über die gesicherten Handschuheingriffe ein Bediener eine manuelle Reinigung mit Inertgas oder Druckluft vornehmen.

Recycling des Restpulvers nun möglich

Bevor Toolcraft seine Entpulverung mit den Solukon-Maschinen erweiterte, nutzte man ein Verfahren, bei dem das Pulver ähnlich wie bei einem klassischen Srahlprozess entfernt wurde. „Das Pulver konnten wir nicht wiederverwenden“, sagt Schulmeister. Doch das Wiederverwenden des Pulvers gehört zu den Vorteilen der Additiven Fertigung. „Bei der Entpulverung durch die Solukon-Maschinen gewinnen wir eine nicht unerhebliche Menge an Pulver zurück“, ergänzt Schulmeister. Das während der Reinigung freiwerdende Pulver fällt direkt und unverändert in einen Trichter am Boden der Prozesskammer, von wo es über ein Doppelventilsystem kontaminationsfrei in Behälter ausgeschleust wird, oder man verbindet die Prozesskammer direkt mit einer Materialaufbereitung. Toolcraft hat beide Varianten, nutzt derzeit aber die mit dem Behälter. Da der Auftragsfertiger auch ein eigenes Materiallabor betreibt, kann die Qualität der Pulvermischungen vor Ort überprüft werden.

Zur Sicherheit des Prozesses trägt die Inertisierung bei, die Solukon mit seinen Maschinen anbietet. Inertisierung bezeichnet den Vorgang, bei dem der Sauerstoff in der Luft durch ein Gas reduziert wird, um der Atmosphäre ihre Explosionsgefahr zu nehmen. Da das Pulver bei Toolcraft bereits auf dem Weg zur Reinigungsmaschine der Umgebungsluft ausgesetzt war, trägt die Inertisierung hier nur zum Explosionsschutz bei. Laut Solukon könne sie aber auch die Qualität des recycelten Pulvers verbessern.

Konstante Qualität in zwei Stunden

Die SFM-AT800 bietet Platz für Bauteile bis 300 kg in den Abmessungen 800 mm × 400 mm × 550 mm, die AT300 für maximal 60 kg schwere Bauteile in Größen bis 300 mm × 300 mm × 350 mm. Bei Toolcraft werden Bauteile zwischen 10 und 400 mm in Auftrag gegeben. Nicht nur von der Größe, sondern auch von Faktoren wie der Komplexität der Bauteilgeometrie oder der Anzahl und dem Volumen der Supportstrukturen ist die Reinigungszeit abhängig. Deswegen rechnet man bei Toolcraft mit einer Entpulverungszeit von einer bis zwei Stunden pro Reinigungsauftrag. „Außerdem hat der automatisierte Prozess den Vorteil, dass er konstante und reproduzierbare Ergebnisse bringt“, ergänzt Schulmeister, „davon profitiert die ganze Prozesskette.“

Noch besser wäre es natürlich, wenn der Prozess vom Baujob bis zur Reinigung komplett automatisiert wäre, ohne dass menschliche Hände eingreifen müssen. Dafür hat Solukon seine Maschinen vorbereitet. So kann über das Automatikdach oder die optionale sich automatisch öffnende Hecktür ein Roboter die Maschinen be- und entladen. Auch das pneumatische Schnellspannsystem kann durch ein automatisiertes ersetzt werden und alles wird über OPC UA gesteuert. Auch wenn man bei Toolcraft eine automatisierte Additive Fertigung grundlegend für wünschenswert hält, kommt es nicht darauf an, jeden Schritt zu automatisieren. „Wenn man zwei Mal am Tag ein Ofensystem be- und entlädt, braucht man dafür keinen Roboter“, erklärt Toolcraft-Geschäftsführer Hauck. Auch muss der Lohnfertiger je nach Auftrag durchaus flexibel reagieren können; ein vollautomatisierter Prozess könnte das behindern. Doch gäbe es zum Beispiel sinnvolle Weiterentwicklungen, wie „das Entpacken mit dem Reinigen der Solukon zu verbinden“, was sich Hauck wünscht.

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