Pulveraufbereitung für additive Fertigungsverfahren auf der Basis von Kunststoff, Keramik oder Metall

Die Begriffe „3D-Drucken“, „Rapid Prototyping“, und „Additive Fertigungsverfahren“ sind deckungsgleiche Benennungen für ein Fertigungsverfahren, bei dem die Erzeugung dreidimensionaler Bauteile durch schichtweises Auftragen von Material entgegen der Gravitationsrichtung erfolgt. Der Schichtaufbau erfolgt durch die computergesteuerte Generierung von 3D-CAD-Bauteildaten, bei dem ein in der Regel feines Pulver mit Hilfe einer Energiequelle, meist ein Laser, ortsselektiv aufgeschmolzen wird. Anschließend wird erneut Pulver aufgegeben, der Laser startet wiederum mit dem Aufschmelzen an den vorgegebenen Positionen und verbindet die darunterliegende Schicht. Als Materialien können Metalle, Kunststoffe, Keramiken, Kunstharze, Carbon und Graphitmaterialien zum Einsatz kommen. Darüber hinaus wird auch in Laboren der Zellbiologie bei der Erzeugung von Gewebe oder Organen aus einem additiven Fertigungsprozess geforscht, wobei völlig andere Bindemechanismen zugrunde liegen.

 Das 3D-Drucken ist ein interessanter Aspekt der aktuellen Industrie 4.0 - Diskussion und wird zukünftig in Kombination mit anderen Additiv-Verfahren als Schlüsseltechnologie in der Digitalisierung die Produktionsmethoden revolutionieren. Das Verfahren wird immer dann angestrebt, wenn 3 Gegebenheiten vorliegen: komplexe geometrische Struktur, geringe Stückzahl und ein hohes Maß an Individualisierung. Das ist beispielsweise auch der Fall, wenn Maschinen zu reparieren sind, deren komplizierte Ersatzteile nicht mehr verfügbar sind. Das zuvor dreidimensional konstruierte Bauteil wird durch die direkte Umsetzung der Daten in ein physisches Bauteil überführt. Gegenüber herkömmlichen spanabhebenden Fertigungsverfahren werden keine Vorrichtungen, keine Gussteile und kein produktspezifisches Werkzeug benötigt. Je nach Einsparung des Bauteilvolumens bzw. dem Wegfall von Materialabtrag, lässt sich gegenüber einem materialabtragenden Prozess der Ressourceneinsatz reduzieren (Quelle: VDI Zentrum Ressourceneffizienz). Das Verfahren erzeugt die mechanisch-technologischen Eigenschaften während des Herstellungsprozesses. Zudem können komplexe Strukturen geschaffen werden, die nicht durch einen konventionellen Herstellungsprozess möglich sind. Somit erhöht sich beim 3D-Druck die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie und sinkender Stückzahl.

Das 3D-Drucken findet in vielen Industriezweigen seine Anwendung. Neben den klassischen Bauteilen aus dem Maschinen-, Automobil-, Modellbau und der Architektur, ist in der Human- und Zahnmedizin die Herstellung von Prothesen denkbar. Das Verfahren eignet sich idealerweise auch für die schnelle Umsetzung von gewonnen Zwischenergebnissen aus der Strukturbionik. Insbesondere wenn versucht wird Festigkeitsstrukturen von Pflanzenfasern in moderne Tragwerkskonstruktionen zu überführen.

Zunächst wird ein Pulverbett mit hinreichend guter Packungsdichte eingestreut. Vermittels genau gesteuerter Energieeintragung verschmelzen Partikelkollektive zu Zielstrukturen. Überschüssige Pulver werden entfernt und idealerweise aufbereitet, um für weitere Lagenaufbauten zur Verfügung zu stehen. Die Partikel müssen hinreichend stabil sein und Partikelgrößen, Schüttdichten und Schüttgutrheologien müssen weitgehend erhalten bleiben. Andererseits müssen die Arbeitsschritte schnell aufeinander abfolgen, um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen. Diese Vorgänge werden weitgehend mit saugpneumatischen Förderungen bewerkstelligt, was vergleichsweise hohe Fördergeschwindigkeiten bedingt und die Erzeugung von Abrieb begünstigen kann. Die eingesetzten Polymerpulver müssen hervorragend konditioniert sein.

Ähnliche Aufbereitungsprobleme liegen auch beim 3D Lasermikrosintern aus Metallpulver vor. Der Auftrag des Pulvers im Pulverbett geschieht durch eine Rakel. Dieser Vorgang gestaltet sich oftmals zeitaufwendig. Die Fließeigenschaften der eingesetzten Pulver haben großen Einfluss auf die Homogenität des Pulverbettes. Die Pulver müssen möglichst freifließend vorliegen. Daher sind sphärische Partikelformen anzustreben und enge Korngrößenverteilung. Agglomerate sind zu eliminieren, da ansonsten flächige oder linienförmige Fehlstellen im Bauteil entstehen. Anhaftungen am Rakelwerkzeug sowie der Bearbeitungsplattform sind störend aber nur schwer zu vermeiden. Die meisten eingesetzten Metallpulver weisen eine Partikelgröße kleiner 10 µm auf und verhalten sich kohäsiv.

 In der Praxis werden die Pulver zuweilen konditioniert, indem sie mit nanofeinen Additiven beschichtet werden. Diese Vorgänge finden vorteilhaft in Präzisionsmischern oder im Wirbelschichverfahren statt. So werden Anhaftungen und ungewollte Agglomerationen vermieden und die Fließfähigkeit der Pulver wird verbessert. - Die Pulver werden automatisierbar gemacht.-

Mischer, Vakuumtrockner, Synthesereaktoren

….. verrichten in der Pulvermetallurgie und in der Polymeraufbereitung wichtige Funktionen. Eine nanofeine Ummantelung jeder einzelnen Partikel lässt sich erreichen, wenn der Beschichtungswerkstoff als schwache Lösung oder Suspension vorliegt und mikrofein ins Pulver eingemischt wird. Das bedeutet nichts anderes, als dass das Pulver gleichmäßig durchfeuchtet wird; jede Partikel muss vollständig benetzt sein. Wird die Flüssigphase anschließend herausgetrocknet, liegt eine gleichmäßige Beschichtung jeder Einzelpartikel vor. Der Trocknungsvorgang sollte bestenfalls unter Vakuumanregung besonders schnell und schonend stattfinden.

undefined

Totalverströmung im amixon® Konusmischtrockner/ Reaktor


Zur Lösung eines solchen Verfahrensschrittes wird der Einsatz vertikaler Mischtrockner empfohlen, in dessen Zentrum ein wendelartiges Mischwerkzeug rotiert. Dies erzeugt eine Totalverströmung der Mischgüter indem es die Produkte in der Peripherie aufwärts fördert, um sie der Schwerkraft folgend im Zentrum herabfließen zu lassen. Der Verströmungsvorgang vollzieht sich - völlig totraumfrei - bei geringer Drehfrequenz und minimalem Scherstress für die Partikel. Alle Partikel befinden sich permanent in Relativbewegung zueinander und durchströmen den gesamten Mischraum. Die Verdunstung der Flüssigphase wird begünstigt indem die Pulver erwärmt werden. Nicht nur die Wandungen des Mischraumes sind doppelmantelig gefertigt. Auch die Mischwerkwelle, die Arme des Mischwerkzeuges und die Wendel sind als Doppelmantel ausgeführt und von einem Thermalfluid (Thermalöl, Wasser oder Dampf) im geschlossenen Kreislauf durchflossen.

Restentleerung nahezu bis zu 100%

Ideale Chargenabgrenzung ohne Quervermischung ist - im Sinne einer genauen Chargenverfolgung und Qualitätssicherung - von großer Bedeutung. Diese Forderung wird in dem hier beschriebenen Apparat im besonderem Masse erfüllt. Der konisch gefertigte Mischraum und die konvex gefertigte Wendel lassen die Mischgüter entmischungsfrei und restlos ausfließen.

Zuweilen sollen sehr geringe Mengen extrem leichter Fließhilfsmittel wie pyrogenes Siliciumdioxid mit einer Schüttdichte von 150 g/dm³, einer Partikelgröße von 10µm und einer spezifischen Oberfläche von 350 m²/g homogen und schonend in die Pulver eingemischt werden. In der Praxis kann es passieren, dass ein unerwünschtes Aufschwimmen dieser Leichtfraktion auf dem Pulver stattfindet. Dann wäre der Mischvorgang massiv behindert - zumal die Vermischung schnell und extrem schonend stattfinden soll. Denn die Fließhilfsmittel sind nur dann wirksam, wenn sie sanft und homogen eingemischt sind, keineswegs aber zerrieben werden. Praxiserprobte Lösungen sind hier gefordert und können seitens amixon® GmbH aufgrund 37-jähriger Erfahrung abgerufen werden. Das gilt beispielsweise auch, wenn in 35 t einer Metallpulvermasse nur 100g eines nanodispersen Rußes homogen einzumischen sind.

Keramische Beschichtungen

Besondere Keramikbeschichtungen werden im Mischer/ Mischtrockner vorgesehen, wenn dieser während des Mischens die Pulver von jeglichem Metallabrieb freihalten muss. Ähnliche lauten die Lösungsansätze, wenn die Pulver besonders abrasiv sind und dem vorzeitigen Verschleiß der Mischwerkzeuge entgegenzuwirken ist. Nahezu jede Aufbereitungsmaschine, die amixon fertigt, ist ein Prototyp - individuell - zum Teil in winzigen aber entscheidenden Nuancen auf die Anforderungskriterien des jeweiligen Kunden in den verschiedensten Branchen abgestimmt. Den Endanwender andererseits erfreut es, seine Bedarfssituation auf hohem Niveau mit dem Apparatehersteller diskutieren zu können. Eingedenk strikter Geheimhaltung ist das eine Essenz die ihm beim Geld verdienen helfen kann.

undefined

amixon® Vakuum-Mischtrockner Reaktor AMT 2000