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Postprocessing Entpacken und Entpulvern bei SLS

| Autor / Redakteur: Helmut Nebeling, Marvin Cvoro, Tobias Elser und David Stäbler / Simone Käfer

Im pulverbasierten 3D-Kunststoffdruck will nach dem Baujob eine Menge loses und am Bauteil haftendes Pulver entfernt werden. Meistens mit der Hand, aber die Grundlagen für ein automatisiertes Entpulvern und Entpacken sind gelegt.

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Bei SLS-Verfahren sind ein automatisiertes Entpacken und Entpulvern technisch möglich, hat die Hoschule Reutlingen herausgefunden. Nur fehlt es noch an Durchgängigkeit und Qualitätssicherung.
Bei SLS-Verfahren sind ein automatisiertes Entpacken und Entpulvern technisch möglich, hat die Hoschule Reutlingen herausgefunden. Nur fehlt es noch an Durchgängigkeit und Qualitätssicherung.
(Bild: Hochschule Reutlingen)
  • Für ein automatisiertes Entpacken von SLS-Bauteilen sind vier Techniken vorhanden.
  • Bauteile mit filigranen Strukturelementen sollten schonend entpulvert werden. Hier empfiehlt die Hochschule Reutlingen einen Käfig.
  • Für eine Automatisierung der Prozesskette fehlen Durchgängigkeit und Qualitätssicherung.

Der Prozess des pulverbasierten SLS-Verfahrens (selektives Laserschmelzen) beginnt mit der Vorbereitung eines Baujobs. Dabei werden die CAD-Modelle aufbereitet und in dem Bauvolumen platziert, unterschied­liche Bauteile können zusammen erzeugt werden. Die Orientierung der Bauteile richtet sich unter anderem nach der Packungsdichte und der Struktur der Bauteile. Sie beeinflusst allerdings sowohl ihre mechanischen Eigenschaften als auch ihre Oberflächengüte. Während die mechanischen Eigenschaften in der X-Y-Ebene recht homogen sind, ist die Festigkeit in Z-Richtung (Baurichtung) deutlich geringer. Nach dem Ende des Baujobs muss das gesamte Bauvolumen abkühlen. Dazu kann dieses entweder in der ausgeschalteten Maschine verbleiben, oder es wird in einer isolierten Abkühlkammer langsam heruntergekühlt. Ein Unterkühlen mit zusätzlichem Wärmeentzug ist schädlich. Grundsätzlich beträgt die Abkühlzeit von SLS-Bauteilen ungefähr so lange wie ihre Bauzeit.

Automatisiert Entpacken

Nach dem Abkühlen werden die Bauteile vom losen Pulver befreit. Während das lose Pulver im Pulverkuchen wiederverwendet werden kann, muss das an den Bauteilen anhaftende Pulver aufgrund der stärkeren thermischen Beeinflussung entsorgt werden. Bei der Entpackung der Bauteile aus dem Pulverbett darf deshalb zunächst eine grobe Trennung erfolgen. Für das automatisierte Entpacken der Bauteile haben Anwender die Wahl zwischen

  • Rüttelvorrichtungen,
  • Rotationstrommeln,
  • Absaugung und
  • Druckluft.
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Während ein schwingungs­unterstütztes Entpacken mit wenig Aufwand viel Pulver ablöst und dabei die Bauteile schont, erzielen Absaugen und Abblasen schlechtere Ergebnisse beim Entpacken und sind schwer zu automatisieren. Bei einem Trommelsieb ist durch die starke Bewegung die Schonung der Bauteile deutlich geringer als bei einem Vibrationssieb. Bei allen Varianten sind geschlossene Räume erforderlich, da es beim Entpacken immer stark staubt. Während beim Flächen- und Trommelsieb die Bewegung der Kinematik die Entpackung vornimmt, ist beim Absaugen und Blasen eine gezielte Führung der Düsen erforderlich. Dies kann nur durch eine mehrachsige Kinematik gelöst werden.

Entpulvern mit Käfig

Beim Entpacken verbleibt thermisch beeinflusstes Pulver an den Bauteilen. Dieses wird anschließend beim Entpulvern von den Bauteilen gelöst. Insbesondere Bauteile mit filigranen Struktur­elementen, wie dünnen Wänden, balken- oder stabförmigen Elementen, erfordern besondere Maßnahmen. Eine schonende Reinigung, bei der ein Käfig um die Teile herum aufgebaut wird, eignet sich in solchen Fällen. Dabei sind die Bauteile fest mit dem Käfig verbunden und können nicht gegeneinanderstoßen. Allerdings müssen die Bauteile nach der Reinigung wieder vom Käfig getrennt werden. Bezüglich der Reinigung innen liegender Hohlräume und Bohrungen ist die Abstimmung der Frequenz und Befestigung, zum Beispiel in einer Vorrichtung zum Rütteln, sowie des Durch­blasens und Strahlens erforderlich. Selbst in kleinen Bohrungen mit Durchmessern von 1 bis 2 mm mit großen Längen lässt sich auf diese Weise das Pulver lösen. Dieses beim Entpulvern gelöste Material wird als Abfall entsorgt.

Nur, wenn die Behälter sowie die Schnittstellen zur Aufnahme und Handhabung standardisiert sind, ist eine Automatisierung der Prozesskette möglich. Doch diese Behälter und Schnittstellen existieren noch nicht. Eine teilautomatisierte Handhabung zwischen den einzelnen Prozessschritten ist mit fahrerlosem Transportsystem und Roboter umsetzbar. Dabei wird das Bauvolumen nach dem Abkühlen in die Entpackbox übernommen oder entleert, wie auch bei der anschließenden Übergabe an die Entpulverung. Bei der folgenden Identifikation werden die Bauteile auf einem Förderband per 2D/3D-Bildverarbeitung identifiziert und durch einen Roboter abgegriffen.

Fast die Hälfte ist Abfall

Der Pulverkreislauf wird durch die Parameter „Packungsdichte“ und „Anteil Recyclingpulver“ beeinflusst. In Abhängigkeit von Bauteilstruktur und -konturen lässt sich das Bauvolumen bis maximal 22 % mit Bauteilen füllen. Das heißt, dass 78 % des Bauvolumens durch loses Pulver in Anspruch genommen werden. Aber selbst dazu müssen die Bauteile gut ineinander geschachtelt werden. Da das für den Bauprozess eingesetzte Pulver zu je 50 % aus Neu- und Recyclingpulver besteht, gibt es in Abhängigkeit von der Packungsdichte 28 bis 45 % Abfallpulver. Für eine bessere Qualität sollte möglichst alles stark thermisch beeinflusste Pulver aus dem Kreislauf herausgenommen werden. Denn die starke thermische Erhitzung beeinflusst die Molekülketten, welche die Verbindung der Kunststoffpartikel untereinander und zwischen den Schichten reduziert. Thermisch besonders belastet ist das an den Bauteilen und in den Hohlräumen anhaftende sowie das sich in der direkten Bauteilumgebung befindliche Pulver.

Curling im Bauraum

Während bei einer manuellen Pulverentfernung diese Trennung händisch durchgeführt wird, geschieht dies bei automatisierter Prozessführung durch die eingestellten Parameter, wie Zeit und Schwingstärke. Wegen der thermischen Beeinflussung wird die Vorheiztemperatur nur so hoch gewählt, dass keine Spannungen in den Bauteilen auftreten. Solche Spannungen führen zu einem Aufbäumen der Bauteile auf der Bauraumoberfläche. Durch den Beschichter werden die aufgebäumten Bauteilelemente dann weggerissen. Dieser Effekt wird auch Curling genannt. Wird die Vorheiztemperatur zu hoch gewählt, tritt dieser Effekt zwar nicht auf, jedoch wird dann das komplette Bauvolumen thermisch stark beeinflusst und haftet zusammen.

Für einen Testlauf wurde an der Hochschule Reutlingen ein Musterbaujob gedruckt. Darin sind unterschiedliche Bauteile mit bewusst gewählten Konturen, Schachtelungsdichte, Volumina (die thermischen Kapazitäten im Bauvolumen) und geometrischen Formen der Bauteile. Auch wurden geometrische Elemente integriert, um die Entpackung und Entpulverung zu testen. So wählten die Wissenschaftler unterschied­liche Abstände, um die thermische Beeinflussung und die Auswirkungen dieser auf das umgebende Pulver zu testen. Weiterhin wurden geometrische Formen kreiert, die sich schachteln lassen. So wurde der Einfluss unterschiedlicher Packungsdichten geprüft. Die Wissenschaftler stellten fest, dass das lose Pulver gut von den Bauteilen getrennt werden kann. Bei hoher Packungs- und Schachtelungsdichte blieben die Bauteile teilweise durch das thermisch beeinflusste Pulver noch zusammenhängend. Bei der Steuerung des Prozesses müssen die Kontur und Packung der Bauteile berücksichtigt werden. Das Verfahren des vibrationsunterstützten Siebens führt schon nach kurzen Entpackzeiten zu einem guten Ergebnis und einem Separieren des wiederverwend­baren Pulvers.

Durchgängigkeit und Qualitätssicherung fehlen

Bei der Automatisierung der gesamten Prozesskette beim selektiven Lasersintern steht man derzeit noch ziemlich am Anfang. Einzelne Verfahren zum Entpacken, Entpulvern und zur Reinigung der Bauteile sind verfügbar, allerdings fast ausschließlich manuell. Es fehlt eine Durchgängigkeit inklusive der für den industriellen Einsatz erforderlichen Qualitätssicherung. Der Testlauf hat gezeigt, dass vorhandene, aber weiterentwickelte Techniken in Kombination mit noch zu entwickelnden Schnitt­stellen zwischen den unterschiedlichen Prozessschritten zu guten Ergebnissen führen. Welche dieser Techniken zu welcher Bauteilgeometrie passt, muss jedoch vorher automatisiert festgestellt werden. Dabei sind kritische geometrische Merkmale schon im Vorfeld des Baujobs durch Algorithmen anhand der CAD-Modelle zu prüfen. Auch Möglichkeiten zur Identifikation der Bauteile sowie zur Prüfung der Korrelation zwischen Soll- und Ist-Geometrie zur Qualitätssicherung der Bauteile existieren noch nicht. An diesen Themen wird in einem fortgeführten Projekte gearbeitet.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

* Die Autoren sind an der Fakultät Technik der Hochschule Reutlingen in 72762 Reutlingen, Tel. (0 71 21) 2 71-70 51

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