Automatisiertes Pulverhandling in der additiven Fertigung

Mit einer geschätzten jährlichen Wachstumsrate von durchschnittlich 25 % bis 2023 ist die additive Fertigung eine der am schnellsten wachsenden Technologien. Sie bietet dem Benutzer klare Vorteile bei der Konstruktion und Herstellung komplexer Teile, Prototypen und Kleinserien, bisher hauptsächlich für Labor- und Forschungs- und Entwicklungszwecke. Mit Weiterentwicklung der Technologie wachsen jedoch auch die Erwartungen der Benutzer und damit die Anforderungen an Sicherheit und Qualität.

Da der druckmaschinengetriebenen Entwicklung ein ganzheitlicher Ansatz fehlt, müssen die umgebenden Prozessschritte und -technologien nach Möglichkeit entwickelt oder angepasst und in den gesamten Prozessfluss integriert werden. Ein wichtiger Prozess, der zum langfristigen Erfolg der additiven Fertigung beiträgt, insbesondere im Bereich der Herstellung von Metallteilen, betrifft die Handhabung von Metallpulver.

Die Handhabung von Metallpulver erfordert aufgrund seines Gefährdungspotenzials für die Mitarbeiter, seiner Explosivität und seines Wertes als hochpreisiger Bestandteil besondere Aufmerksamkeit. Metallpulver stellen ein extrem hohes Gesundheitsrisiko für die Mitarbeiter dar, insbesondere wenn sie in die Lunge eingeatmet werden. Darüber hinaus kann das Heben und Handhaben schwerer Behälter oder Fässer zu ernsthaften Rücken- oder Schulterbelastungen führen. Da Metallpulver atmosphärisch explosionsfähige Materialien sein können, gelten die Atex-Anforderungen zum Schutz von Anlagen. Weitere konstruktive Überlegungen tragen dazu bei, das Risiko einer Geräteimplosion zu minimieren. Da die reinen Metalle oder deren Legierungen teure Bestandteile sind, ist sind das Vermeiden von Kreuzkontaminationen oder Entmischungen während der Herstellung und die Rückgewinnung von nicht verwendetem Material aus dem Prozess der Schlüssel für eine wirtschaftlich tragfähige Aufstellung.

Die Lösung für diese Probleme ist ein geschlossener und automatisierter Prozess zur Handhabung von Metallpulvern, der auf Vakuumförderung basiert. Bewährt hat sich diese Technologie bereits in der Pharma- und Chemieindustrie, die vor ähnlichen Herausforderungen beim Materialtransport stehen. Die Vakuumförderer von Piab erfüllen die Anforderungen der additiven Fertigungsindustrie wie niedrige Bauhöhe, einfache Reinigung, geringer Geräuschpegel und Atex-Zertifizierungen. Das abgeschlossene System minimiert die Ausbreitung des Staubes während des Materialtransports und vermindert die Exposition gegenüber gefährlichen Stäuben, wodurch sich die Vakuumtechnologie besonders für die Handhabung von Metallpulvern eignet. Darüber hinaus verhindert sie eine Verunreinigung des Materials mit fremden Bestandteilen, sodass die Struktur des Metallpulvers erhalten bleibt und das 3D-Druckobjekt die erwartete Qualität erreicht. Der Vakuumtechnik-Spezialist hat spezielle Konfigurationen seines Vakuumförderers Piflow P für verschiedene Reinmetall- und Legierungstypen sowie unterschiedliche Produktionseinstellungen konfiguriert, die sich zum Befüllen des Druckers, des Siebs oder des Trichters oder zum Zurückgewinnen von Metallpulver aus dem Drucker eignen.

In diesem Schritt wird neues oder wiedergewonnenes Metallpulver von einem Sieb, Metallfass oder Trichter zum Drucker transportiert. Das Zuführen von Metallpulver zu einem Sieb oder Trichter erfolgt normalerweise manuell, was stark vom Bediener abhängt und den Mitarbeiter Metallen und schwerem Heben aussetzt. Darüber hinaus ist es schwierig sicherzustellen, dass das gesamte Metallpulver vom Fass / Behälter aufgenommen wird, was zum Verlust von wertvollem Material führt.
Piabs Piflow p kann das Sieb oder den Trichter direkt vom Fass / Behälter des Originalherstellers effektiv zuführen. Dieser automatisierte Prozess verbessert die Produktivität, senkt die Abhängigkeit vom Bediener und führt zu einer sichereren und ergonomischeren Arbeitsumgebung. Der Vakuumförderer kann aufgrund seines geringen Gewichts in tragbare Sieblösungen integriert werden, sodass der gleiche Vakuumförderer und die gleiche Sieblösung mit verschiedenen Druckern verwendet werden können.

Metallpulver sind sowohl teuer als auch gefährlich, daher ist die sichere Rückgewinnung aus dem Drucker von entscheidender Bedeutung. Auch hier können die Vakuumförderer das Metallpulver über ein geschlossenes System vom Drucker zum Sieb oder zu einem Fass transportieren und so die Produktivität sowie die Sicherheit der Mitarbeiter weiter steigern.

Das Fördern von Metallpulvern in der additiven Fertigung ist eine Herausforderung, beginnend mit der hohen Schüttdichte. Metallpulver können bis zu 8 kg/l wiegen, während Pulver im Pharma- oder Lebensmittelsektor im Allgemeinen zwischen 0,8 und 1,2 kg/l liegen. Dies erfordert wesentlich leistungsstärkere Vakuumsysteme, um das Metallpulver in Bewegung zu halten. Gleichzeitig werden für einen Produktionsprozess nur relativ geringe Mengen benötigt, in der Regel nicht mehr als 100 kg/h – das sind 12,5 l Fördervolumen.

Aufgrund der hohen Schüttdichte und des großen Filters im System sowie des zusätzlich erforderlichen Abluftfilters zur Gewährleistung der Sicherheit der Mitarbeiter und des Schutzes vor Ort ist eine entsprechend große Vakuumpumpe notwendig, um die erforderliche Saugleistung zu erzielen. Die Produktionszeit im 3D-Druckprozess ist relativ lang, und die aktiven Förderzeiten kurz. Dank der automatischen Abschaltung der Vakuumpumpe im Leerlauf ist der Vakuumförderer sehr energieeffizient, insbesondere im Vergleich zu mechanischen Pumpen, die im Leerlauf weiterlaufen müssen. Somit bleiben die Energiekosten für die automatisierte Abgabe und Befüllung niedrig. Im Gegensatz zu mechanischen Pumpen führt das durch Druckluft erzeugte Vakuum dem 3D-Druckprozess keine Wärme zu.

Die geringe Stellfläche und die niedrige Bauhöhe machen das Vakuumfördersystem zu einer attraktiven Lösung, die in ein 3D-Druckangebot oder eine tragbare Sieblösung eingebaut oder in dieses integriert werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das geringe Gewicht die Verwendung derselben Förder- und Sieblösung für mehrere Drucker. Das konisch geformte Design des Förderers ist besonders starr und steif, wodurch das Risiko einer Implosion ausgeschlossen wird. Da Vakuumförderer für die additive Fertigungsindustrie den anspruchsvollsten Umständen gerecht werden müssen, macht die einfache Reinigungsmöglichkeit in Kombination mit seiner immanenten Festigkeit Edelstahl zum Material der Wahl für die Industrie.

Um die für die additive Fertigungsindustrie relevanten Förderaufbauten zu ermitteln, hat der Hersteller zahlreiche Tests mit verschiedenen typischen Materialien durchgeführt, unter anderem mit Edelstahl- und Aluminiumpulver. Die Tests basieren auf der Annahme, dass das Fass oder der Behälter, in dem sich das Pulver befindet, an einem anderen Ort gelagert wird als an dem Ort, an dem der Druck stattfindet. Für Mengen von 200 bis 500 kg waren dabei Entfernungen bis 50 m sowie Höhenunterschiede bis 8 m erreichbar. Basierend auf internen Tests und Designs empfiehlt der Hersteller die folgenden Konfigurationen seiner Vakuumförderer für die additive Fertigungsindustrie: Piflow P 3 Liter mit einer 200 Pumpe, PLR02 Filter und einer Förderlinie von 32 mm und Piflow P 3 Liter mit einer 400 Pumpe, PLR04 Filter und einer Förderlinie von 32 mm oder 38 mm.

Je nach gewählter Ausstattung lassen sich Mengen zwischen 600 und 1.000 kg/h und mehr mit dem oben genannten Aufbau problemlos über eine Entfernung von 10 m und bis zu einer Höhe von 8 m fördern. Größere Mengen können mit den oben genannten Geräten über kürzere Entfernungen gefördert werden. Alternativ können die Experten von Piab eine maßgeschneiderte Lösung konfigurieren, die den jeweiligen Anforderungen entspricht. Zusätzliches Zubehör wie Zufuhrdüsen und Adapter sowie ein zum Auffangbehälter passendes Modul sind ebenso erhältlich wie kundenspezifische Lösungen für Inertgasanwendungen und kompakte Förderer.