Additive Fertigung Trockene Prozessluft - ein entscheidender Faktor für Pulverqualität und Fertigungsprozess

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Bietet der Metall-3D-Druck doch so viele Vorteile, müssen dennoch gewisse Herausforderungen bewältigt werden. Unter anderem gehören dazu das Pulverhandling und die Prozessluftumgebung.

Um schnell auf komplexe Kundenwünsche reagieren zu können, ist es erforderlich, dass Unternehmen sehr flexibel und wirtschaftlich produzieren und gleichzeitig eine entsprechende Produktqualität vorweisen. Die zunehmende geometrische Vielfalt erhöht den Aufwand für Herstellende in der Fertigung.

Herstellung eines Produktes als ein einziges Teil

Durch die Möglichkeit, schnell und kostengünstig Muster, beziehungsweise Modellobjekte, Prototypen und Endprodukte herstellen zu können, ist die additive Fertigung für viele Unternehmen eine mögliche Antwort auf diese Anforderungen. Auf Basis von CAD-Daten kann direkt gefertigt werden. Dies bringt deshalb sehr viele Vorteile für den Produktentwicklungs- und Herstellungsprozess mit sich.

Egal, ob additive Fertigung für das Prototyping oder die Serienproduktion eingesetzt wird − die Durchlaufzeiten werden häufig signifikant reduziert. Auch Produkte, die bislang aus mehreren zusammengesetzten Teilen bestanden, werden nun als ein einziges montagefreies Objekt hergestellt.

Daher wird die additive Fertigung aktuell bei der Herstellung von kleinen Serien und Prototypen sowie beim Thema Industrie 4.0 immer wichtiger.

Anwendung in der industriellen Serienfertigung steht bevor

Es gibt eine ganze Reihe an Verfahren zur additiven Fertigung, die allesamt landläufig als 3D-Druck bezeichnet werden. Der Fokus soll im Folgenden auf dem Prozess unter Verwendung von Metall liegen.

Additive Fertigung mittels Metalls ist ein Fertigungsprozess auf Pulverbasis, bei dem sehr feines Metallpulver per selektivem Laserschmelzen (LPBF – Laser Powder Bed Fusion) schichtweise aufgetragen wird, um teils hochkomplexe 3D-Formen und Bauteile fertigen. Durch den schichtweisen Aufbau lassen sich funktionsoptimierte Geometrien umsetzen, die aus CAD-Daten gewonnen werden. Dieser Prozess ermöglicht es, teils komplexe Objektstrukturen herzustellen.

Richtige Luftkonzentrationen

Um die hohen Qualitätsanforderungen zu gewährleisten, müssen verschiedene Herausforderungen in den Bereichen Pulverhandling und Prozessluftumgebung im Fertigungsbereich vom Betreiber der AM-Anlagen bewältigt werden.

Dazu müssen unter anderem die Luftsituation beherrscht und die genaue Feuchtekonzentration in der Umgebung laufend überwacht und sichergestellt werden. Durch eine zu hohe Luftfeuchtigkeit oxidiert ungewollt das Metallpulver. Dies stellt ein potenzielles Risiko für die Qualität des Endprodukts und die Prozessstabilität dar, da die physikalischen Eigenschaften gelagerter Werkstoffpulver beeinträchtigt werden. Traditionelle metallurgische Prozesse – besonders Sinterprozesse aber auch die additive Fertigung im Metallbereich– erfordern eine trockene Atmosphäre, um Festigkeit und Integrität zu sichern. Daher ist die Sicherstellung der „richtigen Luftkonditionen“ ein entscheidender Faktor für den Gesamtprozess.

Qualität durch Prozesslufttrocknung

Um beispielsweise den LPBF-Prozess effizient und nachhaltig zu gestalten, ist eine ganzheitliche Betrachtung des Prozesses notwendig - vom sicheren Entpulvern additiv gefertigter Bauteile zu einer qualifizierten Aufbereitung überschüssiger Pulver bis zur Rückführung in den Prozess.

Ein wichtiger Baustein dieser Aufbereitung ist es, das Pulver zu trocknen. Außerdem muss eine möglichst trockene Prozessatmosphäre im Prozessraum zuverlässig gewährleistet werden.

Einer hocheffiziente Prozesslufttrocknung kommt eine Schlüsselfunktion für den stabilen AM-Prozess zu. Denn wenn die feinen metallischen Pulvermaterialien mit Partikelgrößenverteilung im Bereich von 20 bis 40 Mikrometern Luftfeuchte aufnehmen, werden sie für die sensiblen LPBF-Prozesse unbrauchbar. Das Material neigt dann dazu, zu verklumpen oder zu oxidieren. Erst eine zuverlässig hohe Pulverqualität ermöglicht eine reproduzierbare Bauteilqualität unter gleichbleibenden Produktionsbedingungen.

Mission erfüllt

Leichtbau BW nach erfolgreicher Arbeit aufgelöst

Lufttrocknung als Teil des Lüftungskonzept

Die Anforderungen an die Prozesslufttrocknung für Produktionsraumumgebungen liegen dabei im Bereich von 19-22 Grad Celsius bei 10-40 % regelbarer relativer Luftfeuchte. Je nach Auswahl der pulverförmigen Metallmaterialien sollte diese konstant gehalten werden. Das entspricht einem Taupunkt bis zu -10° Grad.

Um trockene Prozessluft mit diesen Bedingungen zu erzeugen, reichen konventionelle Methoden, wie den Wasserdampf an Kühlregistern zu kondensieren nicht mehr aus. Um den Restfeuchtegehalt der Luft so weit zu reduzieren, sind somit sorptive Prozesse notwendig.

Zeit und Aufwand durch zu hohe Feuchtigkeit

Metallpulver, die nicht von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt sind, neigen sehr stark dazu, Feuchtigkeit aufzunehmen. Dadurch verschlechtert sich insgesamt das Material, was innerhalb der AM/3D-Druckverfahren kaum zu korrigieren ist, und somit eine langwierige und kostspielige Nachbearbeitung, beziehungsweise -produktion erfordert. Daher ist der Feuchtigkeitsgehalt der Luft in der Umgebung des Metallpulvers an jeder Stelle des Prozesses sicherzustellen.

Ein Hauptaspekt bei erfolgreich installierten Konzepten in der AM-Industrie war und ist auch die Klimatisierung und Trocknung des Aufstellungsraumes der 3D-Druckanlage. So kann sichergestellt werden, dass das Metallpulver auch beim Umfüllen, Abfüllen, Absaugen und sonstigen Handling-Arbeiten an der Maschine nicht mit zu hoher Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommt und jederzeit wiederverwendet werden kann. Zudem kann der Druckjob auch in Bezug auf die Luftfeuchtigkeit und die Pulverqualität fortgesetzt werden, nachdem der Prozessraum geöffnet wurde.

Additive Fertigung

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Sorptionstechnik bietet viele Vorteile

Als besonders wirkungsvoll erweisen sich hier Rotationsentfeuchter. Dabei wird der feuchte Luftstrom durch ein rotierendes, mit Adsorptionsmittel beschichtetes Sorptionsrad geleitet und getrocknet. Auf der Gegenseite wird das Rad regeneriert, um die trocknende Luft kontinuierlich und effektiv aufzubereiten. Die Wassermoleküle in der angesaugten Luft werden gleichzeitig mittels Desorption kontinuierlich durch Wärme aus dem Adsorptionsmittel herausgetrieben. Als Adsorbat werden diese in einem separaten Luftstrom aus der Anlage in die Außen-Atmosphäre geführt. Durch Erweiterung des Sorptionsmoduls Ult-Dry-Tec®, beispielsweise mit Vor- und Nachkühlern Ult-Cool-Tec® V und Ult-Cool-Tec® N oder einem Nachheizer Ult-Warm-Tec, können Taupunkte von bis zu -65 Grad und eine beliebige Temperatur erreicht werden. Die Vor- und Nachkühlermodule können optional mit unterschiedlichen Filterelementen entsprechender Filterklassen ausgerüstet werden. Derart niedrige Taupunkte sind allerdings kaum notwendig, um das Metallpulver zu lagern.

Einsparungen von bis zu 35 %

Die Prozessluft-Trocknungsanlage Ult-Dry-Tec ist ein anschlussfertiges, kompaktes, modulares Gerät mit einer sehr hohen Entfeuchtungsleistung bei gleichzeitigem niedrigem Energiebedarf. Dazu gehören regelbare Ventilatoren für den Prozessluftstrom und den Regenerationsluftstrom, sowie eine integrierte Wärmerückgewinnung.

Durch das effektive Wärmerückgewinnungssystem können bis zu 35 % der Leistung zur Erhitzung des Luftstromes im Desorptionskreislauf eingespart werden. Die Wärme wird dabei aus dem Abluftstrom und einem Teil der darin enthaltenen Kondensationswärme gewonnen. Diese ansonsten ungenutzte Energie erwärmt direkt den angesaugten Regenerationsluftstrom und trägt so zur Energieeinsparung bei der Regeneration des Sorptionsrades bei.

Benutzerfreundliches Design

Die von der Ult eingesetzten Sorptions-Rotoren sind nicht entflammbar (Flammindex und Rauchindex gleich Null), beständig gegen Korrosion und abwaschbar. Hierzu wurde darauf geachtet, die Konstruktion besonders einfach wechselbar und wartungsfreundlich zu gestalten.

Das Ult-Dry-Tec-Modulkonzept bietet Betreibenden die Möglichkeit, sich aus standardisierten Anlagenteilen eine auf die Prozessanforderungen passende Anlage zur Luftkonditionierung zusammenzustellen. Das Modulkonzept bietet außerdem auch bei limitierten Platzverhältnissen die Möglichkeit, kleinere Einzelanlagenkomponenten in bestehenden Technikräumen flexibel einzubringen und aufzustellen. Zusätzlich sind Anwendende in der Lage, die zahlreichen Optionen des Konzeptes zu nutzen, um sich die Anlage individuell auf ihre Bedürfnisse anzupassen. So ist beispielsweise die Einbindung und Steuerung der Anlage über die Gebäudeleittechnik vor Ort für viele verschiedene Systeme verfügbar.

* Dipl.-Ing. Florian Matthieu ist Teil vom Projekt- und Produktmanagement bei der ULT AG.

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