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).
 

Die Anforderungen für die Prüfung verschiedener Produkte, Materialien und Komponenten können je nach vorgesehener Anwendung und anderen Leistungskriterien sehr unterschiedlich sein. Anspruchsvolle Endanwendungen wie Automobil- und Mobilgeräte erfordern Komponenten, die umfassend getestet wurden, um Leistung und Sicherheit zu gewährleisten. Diese Tests werden normalerweise in Klimakammern durchgeführt. Die dazu verwendete Klimakammer muss in der Lage sein, die erforderlichen extremen Klimabedingungen exakt zu replizieren. Wiederholbarkeit spielt eine wichtige Rolle, um sicherzustellen, dass alle Testchargen exakt den gleichen Bedingungen unterliegen.

Eine genaue Kontrolle ist von entscheidender Bedeutung, wenn von einer Standardtesteinrichtung zu einer Testumgebung mit extremen Bedingungen übergegangen wird. Um dieses Maß an Kontrolle zu erreichen, ist eine genaue Messung selbst bei Kondensationsbedingungen erforderlich. Herkömmliche Geräte für die Feuchtemessung können den Bedingungen in einer Klimakammer nicht standhalten. Denn wenn der Sensor nass wird, dauert es, bis er wieder trocken ist und erneut genau messen kann. Die Verwendung eines Messmoduls mit beheizter Sonde gewährleistet hingegen eine genaue Kontrolle der Bedingungen in der Kammer, auch bei anspruchsvollsten Tests wie z. B. bei Tauzyklustests und dem feuchtebasierenden HALT-Test (hoch beschleunigter Lebenszyklustest).

Ein weiterer Faktor, der zu Herausforderungen führen kann, ist der Test der Probe bei erhöhter Temperatur. Kunststoffteile in der Probe können die Verdampfung flüchtiger organischer Verbindungen verursachen, die wiederum in den kapazitiven Feuchtigkeitssensor gelangen können. Dies kann zu abweichenden Feuchtemesswerten führen. Dieses Problem lässt sich verhindern, indem der Feuchtesensor schnell auf bis zu 180 °C  erhitzt wird. Durch die als chemische Reinigung bezeichnete Temperaturbehandlung verdampfen die organischen Verbindungen vom Sensor. Eine Abweichung in der Messung wird so unterbunden.

Die Technologien beheizter Sonden und chemischer Reinigung kommen im Vaisala HUMICAP® Feuchte- und Temperaturmessmodul HMM170 zum Einsatz. Dieses Modul kann Feuchte bei Temperaturen von 0 bis 100 % rF messen und verfügt über eine beheizte Sonde für Vakuumdrücke bis 10 bar. Der Platzbedarf der Platine ermöglicht eine einfache Integration in die vorhandene Konfiguration Ihrer Klimakammer: Das HMM170 Modul bietet drei konfigurierbare analoge Ausgänge und einen digitalen Ausgang (RS-485/MODBUS RTU). Die chemische Reinigungsfunktion kann über ein Schaltschütz oder Modbus ausgelöst werden. Dies ist eine einfache Möglichkeit, um sicherzustellen, dass der Sensor vor der nächsten Testcharge frei von Verunreinigungen ist. Konfiguration und Kalibrierung werden über ein USB-Kabel mit der PC-Software Vaisala Insight durchgeführt.

Weitere Informationen finden Sie unter https://www.vaisala.de/HMM170

Die Grundlagen

Einfach ausgedrückt handelt es sich bei der relativen Feuchte (rF) um ein Maß für den Wasserstoffgehalt von Luft. Genauer gesagt bezeichnet sie das Verhältnis des momentanen Wasserdampfgehalts der Luft (ausgedrückt in %rF) zum maximal möglichen Wasserdampfgehalt bei derselben Temperatur.

Die rF ist proportional zur Temperatur und äußerst empfindlich gegenüber Temperaturänderungen. Das bedeutet, dass in einem System mit stabiler Temperatur auch die rF stabil ist. Neben der Temperatur ist die relative Feuchte auch vom Druck des jeweiligen Systems abhängig.

Einige hilfreiche Regeln

Es gibt einige hilfreiche Regeln, die zum besseren Grundverständnis der rF beitragen. Dennoch darf nicht vergessen werden, dass andere Faktoren die Ergebnisse beeinträchtigen können, sofern man sich nicht in einem geschlossenen System wie beispielsweise einer Umwelttestkammer befindet.

Die erste Regel besagt, dass Luft mit steigender Temperatur trockener (rF nimmt ab) und mit fallender Temperatur feuchter (rF nimmt zu) wird. Hinsichtlich des Drucks gilt die Regel, dass Luft mit abnehmendem Druck trockener (rF nimmt ab) und mit steigendem Druck feuchter (rF nimmt zu) wird.

Warum ist die Überwachung der relativen Feuchte wichtig?

Der bei weitem wichtigste Grund für die Überwachung der relativen Feuchte ist die Feuchtigkeitsregulierung um ein Endprodukt herum. In den meisten Fällen bedeutet das, dafür zu sorgen, dass die rF niemals zu stark ansteigt. Nehmen wir als Beispiel ein Produkt wie Schokolade. Falls die rF in einem Lager über ein bestimmtes Niveau ansteigt und ausreichend lange über diesem Niveau bleibt, kann sich auf der Schokolade der sogenannte Zuckerreif bilden. Hierbei bildet sich auf der Oberfläche der Schokolade ein Feuchtigkeitsfilm, der den in der Schokolade enthaltenen Zucker löst. Verdampft nun die Feuchtigkeit, kristallisiert der Zucker aus und es kommt zu einer Verfärbung der Schokolade.

Feuchtigkeit kann außerdem drastische – und kostspielige – Auswirkungen auf Produkte wie Baumaterialien haben. Nehmen wir an, Sie planen einen Anbau für Ihr Haus und bringen einen Betonunterboden ein, auf dem später ein Hartholzboden verlegt werden soll. Ist der Beton vor dem Verlegen des Hartholzbodens nicht ausreichend getrocknet, kann dies enorme Probleme verursachen, da jegliche im Beton enthaltene Feuchtigkeit naturgemäß versuchen wird, in einen trockeneren Bereich – in diesem Fall das Material des Bodenbelags – zu migrieren. Der Bodenbelag kann aufquellen und es können sich Blasen oder Risse bilden. Somit war die ganze harte Arbeit umsonst und es bleibt keine andere Option, als den Holzboden zu ersetzen.

Auch für Produkte mit einer sehr hohen Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit (z. B. bestimmte Pharmazeutika) kann Feuchte ein großes Problem darstellen. Sie kann die Eigenschaften des Produkts dahingehend verändern, dass es seine Wirksamkeit verliert. Aus diesem Grund werden Produkte wie Tabletten und Pulver unter kontrollierten Bedingungen bei exakten Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden gelagert.

Schließlich ist die relative Feuchte auch ein wichtiger Faktor in Gebäudeautomationssystemen, die auf das menschliche Wohlbefinden abzielen (z. B. Klimaanlagen). Die Möglichkeit zur Messung und Regelung der rF trägt nicht nur dazu bei, im Inneren von Gebäuden ein angenehmes Umfeld zu schaffen, sondern sie trägt auch zur Optimierung des Wirkungsgrads von HLK-Systemen bei, indem man Aufschluss darüber erhält, wie viel angesaugte Außenluft abhängig von der Temperatur im Freien aufbereitet werden muss.

Möchten Sie mehr erfahren? Laden Sie sich unseren Leitfaden zur Feuchtemessung für intelligente Unternehmen herunter mit Links zu einem Feuchterechner, einem Trocknungssimulator, Webinaren und weiteren Informationen.

Möchten Sie einen Blick in den Reinraum von Vaisala werfen? Er gehört zu den bestgehüteten Geheimnissen von Vaisala, aber wir gewähren Ihnen einen Einblick ins Innere.

Hannu, unser Head of Sensor Factory, hat mit uns einen Rundgang gemacht, den wir gefilmt haben. Dies ist der Ort, wo die genauen Feuchte-, Druck- und CO2-Sensoren von Vaisala erforscht, entwickelt und hergestellt werden.