Wie Pulverqualitäten Druckergebnisse beeinflussen

Der 3D-Druck hat sich in den letzten Jahren zu einer leistungsfähigen Produktionstechnologie entwickelt. Dabei hat sich das Pulververfahren neben dem Freiraum- und Flüssigverfahren als gängige 3D-Druckmethode etabliert. Ob Metall-, Kunststoff-, Glas-, Keramik- oder Verbundwerkstoffpulver: Eines haben alle Pulver gemeinsam – der Trocknungsgrad ist eine entscheidende Komponente für die Qualität des Druckerzeugnisses.

Pulververfahren für verschiedenste Einsatzbereiche

Mit der additiven Fertigung lassen sich inzwischen Prototypen, Komponenten und Produkte selbst in geringen Stückzahlen bis Losgröße 1 ökonomisch fertigen. Beim Pulververfahren, das auch Pulverbettverfahren genannt wird, besteht der Druck- bzw. Bauraum aus einer Art Wanne. Darin wird das Pulver Schicht für Schicht aufgetragen und mit einem Bindemittel oder durch Temperaturerhöhung verfestigt. Man unterschiedet grundsätzlich zwischen den Verfahren Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Sintering/SLS) und Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting bzw. Electron Beam Additive Manufacturing/EBM bzw. EBAM).

Beim Laserschmelzen wird das Druckmaterial mit einem Hochleistungslaser unter einer Schutzatmosphäre verschmolzen. Beim Elektronenstrahlschmelzen sorgt ein Elektronenstrahl dafür, dass das Pulver unter Vakuum verschmolzen wird. Das Drucken unter Vakuum bietet den Vorteil, dass ein möglicher Sauerstoffeinschluss in das Druckerzeugnis verhindert werden kann. Das Verfahren eignet sich zum Druck von Metallen, die über einen sehr hohen Schmelzpunkt verfügen, z. B. Titan mit 1.668 °C und Platin mit 1.768 °C. Das Pulververfahren wird vorzugsweise für die Erstellung komplexer Produkte eingesetzt, etwa mit diffizilen Strukturen, Überhängen sowie Hohlräumen. Die nicht verfestigten Pulverreste, die im Nachgang entfernt und wiederverwendet werden können, sorgen während des Druckprozesses für eine effektive Stützstruktur. Die typischen Einsatzgebiete für Druckerzeugnisse mittels Pulververfahren reichen vom Werkzeug-, Maschinen- und Anlagenbau über die Luftfahrt-, Raumfahrt- und Automobilbranche bis hin zu Medizin- und Zahntechnik.

Problemfall: zu feuchtes Druckpulver

Druckpulver haben grundsätzlich mit dem Umstand zu kämpfen, dass sie sehr hydrophil sind, also sehr leicht Feuchtigkeit aufnehmen. Zudem sind die Behälter, in denen das Druckpulver abgefüllt und gelagert wird und die sehr oft aus Kunststoff bestehen, im Normalfall nicht diffusionsdicht. Das heißt im Umkehrschluss, dass der Feuchtegrad des Druckpulvers mit der Zeit zwangsläufig zunimmt. In zwei Behältern vom gleichen Hersteller können trotz des gleichen Ausgangsmaterials unterschiedliche Pulverqualitäten vorhanden sein. Feuchtes Druckpulver kann zu Brüchigkeit, Rissen, Zebramustern, schlechten Bauteiloberflächen und Inhomogenitäten bei den Druckerzeugnissen führen. Dies ist besonders ein Ärgernis beim Druck von Produkten, bei denen es auf höchste Festigkeit und eine konstant hohe Qualität ankommt. Dazu zählen etwa Spezialwerkzeuge, Maschinenbaukomponenten oder Dentalprodukte, die oft aus hochpreisigen Pulvermaterialien wie Titan- und Platinlegierungen gefertigt sind. Unabhängig von der Art des Pulvermaterials ist der Trocknungsgrad des Pulvers eine wesentliche Komponente für die Ergebnisqualität bei additiven Fertigungsverfahren. Je trockener das Pulver, desto besser ist seine Fließfähigkeit und Laserschmelzfähigkeit, was sich positiv auf das Druckergebnis auswirkt.

Vakuumtrockner sorgen für gleichmäßig trockenes Pulver

Eine Produktinnovation stellen sogenannte Vakuumtrockner dar. Für die Trocknung hochwertiger Werkstoffe wie Metallpulver eignet sich ein Trocknungsverfahren mittels Vakuum und niedrigen Temperaturen. Bei der Vakuumtrocknung wird das am zu trocknenden Pulver gebundene Wasser bei niedrigen Temperaturen und Drücken verdampft (sublimiert). Leistungsfähige Vakuumtrockner trocknen das Pulver auf eine Restfeuchte von lediglich 1 ppm.

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