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Generative Fertigung und Feuchte

3D-Druck eines Vaisala Logos
Published: Jun 17, 2019
Industrielle Messungen

Die generative Fertigung gewinnt als wirtschaftlich tragfähige industrielle Fertigungstechnologie rasch an Bedeutung. Grund dafür sind globale Trends der On-Demand-Produktion, der Anpassung und der Notwendigkeit von Zeit-, Geld- und Materialeinsparungen. Unabhängig von der Herstellung von Kunststoff- oder Metallteilen sind einige Rohstoffe wie Pulver, Harz oder Filamente hygroskopisch, d. h. sie absorbieren Feuchte aus der Umgebungsluft. Ein hoher Feuchtegehalt des Rohstoffes kann seine chemischen Eigenschaften verändern und die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen.

Generative Metallfertigung
Die generative Fertigung von Metallteilen wird immer beliebter, da sie neue Lösungen bietet, die bei herkömmlichen Fertigungstechniken nicht verfügbar sind. Neue Formen und Techniken, die bisher bei traditionellen Gießerei- und Bearbeitungsverfahren sehr kostspielig oder gar nicht zu konstruieren waren, stehen jetzt zur Verfügung. Mit einem 3D-Drucker hergestellte Produkte können erheblich leichter und genauso stark – oder sogar stärker – sein als ihre Äquivalente, die mit herkömmlichen Methoden hergestellt wurden. Diese Eigenschaften werden besonders in luftfahrtbezogenen Anwendungen geschätzt. Hier sind die Toleranzen extrem eng, und jedes eingesparte Gramm Metall führt zu großen Einsparungen bei der Produktlebensdaueranalyse.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil beim 3D-Metalldruck ist die verbesserte Druckgeschwindigkeit und Produktionsrate. Diese Technologie fordert bereits traditionelle Herstellungsverfahren in Massenproduktionsmärkten heraus. Die Möglichkeit, hochwertige Produkte zu reproduzieren, ist für die Massenproduktion und kritische Endanwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie oder medizinische Komponenten von entscheidender Bedeutung. 

Feuchte spielt in vielen Phasen der Fertigungskette eine wichtige Rolle. Um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten, müssen die Bedingungen in den Anlagen der gesamten Produktionskette unbedingt stabil bleiben. Herstellungsanlagen und Lagereinrichtungen für Geräte und Stoffe müssen temperatur- und feuchtegesteuert sein, um ein hochwertiges Produkt sicherstellen zu können. 

Hochwertige generative Fertigung erfordert hochwertige Rohstoffe. Die im selektiven Laserschmelzverfahren (Selective Laser Melting, SLM) verwendeten Pulvermaterialien wie Aluminium- oder Titanlegierungen sind empfindlich gegenüber Umgebungsfeuchte. Wenn das Pulver zu viel Wasser aus der Umgebungsluft absorbiert, können sich seine chemischen Eigenschaften dramatisch verändern, was zu einem Verlust der Druckqualität führt. Alle Lagerbedingungen innerhalb oder außerhalb des Druckers müssen sorgfältig überwacht werden, um sicherzustellen, dass der Rohstoff den Spezifikationen des Herstellers entspricht.

Bei Metallen gibt es unabhängig vom eingesetzten 3D-Druckverfahren einen Sinter- oder Schmelzvorgang, bei dem Metallpulver mit dem festen Metallteil verschmolzen wird. Das Sintern muss in einer inerten Umgebung mit wenig Sauerstoff und Feuchte erfolgen. Dies kann für jedes Messgerät eine raue Umgebung darstellen, aber die Bedingungen können auch indirekt durch Taupunktmessung der Einlass- und Auslassgase überwacht werden.

Generative Kunststofffertigung
Feuchte ist ein bekannter Feind von Kunststoffen. Da viele Polymere hygroskopisch sind, absorbieren sie Feuchte aus der Umgebungsluft. Als Hersteller möchten Sie nicht, dass Ihr Rohstoff seine Eigenschaften ändert – Ziel ist es, ihn so konsistent wie möglich zu halten. Dies erfordert eine hochwertige Feuchtekontrolle in der gesamten Produktionskette, von der Filamentherstellung bis zum 3D-Druckprozess.

Bei der Fused Filament Fabrication (FFF), auch als Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt, wird ein Filament aus thermoplastischem Material verwendet, das Schicht für Schicht auf die Druckplattform extrudiert wird. Diese Filamente werden aus einer Vielzahl von Polymeren wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), PLA (Polylactide) oder PA (Polyamid, besser bekannt als Nylon) hergestellt. Alle diese Polymere haben die Fähigkeit, Wasser zu absorbieren, wobei die Menge vom Polymertyp und der relativen Feuchte der Umgebungsluft abhängt. Die durch die Feuchte verursachten Effekte hängen auch vom Stoff ab. 

Einige Werkstoffe wie ABS können relativ hohen Feuchtekonzentrationen standhalten, ohne Auswirkung auf deren Materialfestigkeit. Während der Extrusion können jedoch weiterhin Probleme auftreten. Wenn ABS auf über 200 °C erhitzt wird, verdunstet die absorbierte Feuchte und wird zu Dampf. Dies führt zu Problemen bei der Druckqualität, da der Dampf den Materialfluss beeinträchtigt. Einige Stoffe wie PA (Nylon) leiden ebenso unter Hydrolyse. Dies bedeutet, dass Wassermoleküle die Polymerketten während der Extrusion beschädigen und das Material seine Zugfestigkeit verliert.

Schlussfolgerung
Unabhängig davon, ob Sie Teile aus Metall oder Kunststoff herstellen, müssen Sie die Bedingungen in allen Bereichen Ihrer Anlage genau kontrollieren. Um Probleme mit der Produktionsqualität durch Feuchte zu vermeiden, benötigen Sie genaue Messungen. 

In unserem Produkthandbuch finden Sie die beste Lösung von Vaisala für Ihre generative Fertigungsanwendung (PDF).
 

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