Pulver-Processing rund um den 3D-Druck

Sie ermöglicht ausgefallene Formen, macht Kleinserien kostengünstiger und beschleunigt die Herstellung: die additive Fertigung. Der eigentliche 3D-Drucker ist dabei nur ein Element der Fertigungskette – von der Anlieferung der Ausgangsstoffe bis zur Nachbearbeitung der Bauteile. Sieb-, Misch- und Fördertechnik, Trockner, sicherheitstechnische Ausrüstung, Partikelanalytik und mehr ergänzen 3D-Drucker zu leistungsfähigen AM-Lösungen.

Geschrieben von Dr. Ulla Reutner

Drei silbergraue Bauteile befinden sich im Innenraum eines 3D-Druckers – Ansicht nach dem Abtrennvorgang — 3D-Druckverfahren gewinnen in immer mehr Branchen an Bedeutung, etwa in der Automobilindustrie. Vollautomatische Abläufe inklusive der Nachbearbeitung der gefertigten Bauteile und überschüssigen Materials sorgen dort für höchste Produktivität.

Additive Fertigung als professionelle Anwendung des 3D-Drucks gilt in zahlreichen Industrien als revolutionäre Methode, Produkte wie z. B. Bauteile mit komplexen Formen herzustellen. Sie erlaubt sogar eine individuelle Anpassung ohne zusätzlichen Aufwand für Formen oder Werkzeuge, etwa bei medizinischen Prothesen. Als materialsparendes Verfahren eignet sie sich auch für teure Materialien wie Titan. Ihre Anwendung reicht von der Medizin über Maschinenbau, Keramik- und Automobilindustrie bis hin zum Bauwesen. Selbst Häuser und Brücken lassen sich mittels 3D-Druckverfahren herstellen.

Additive Verfahren durchdringen die POWTECH TECHNOPHARM

Auch für die Community der POWTECH TECHNOPHARM wird additive Fertigung mehr und mehr zur Schlüsseltechnologie. So gründete beispielsweise die APV, Arbeitsgemeinschaft für Pharmazeutische Verfahrenstechnik, bereits eine Task Force Additive Manufacturing. Über 40 Mitglieder aus verschiedenen Pharmaunternehmen, darunter Merck, Novartis und Sanofi-Aventis, sowie aus wissenschaftlichen Institutionen, widmen sich Themen wie Chargenfertigung und Individualisierter Fertigung über AM. Weitere ideelle Träger der Messe beschäftigen sich schon lange mit der innovativen Fertigungsmethode, etwa das VDI Wissensforum, das zahlreiche Seminare dazu anbietet, sowie der VDMA, der ein wegweisendes Positionspapier erstellt hat.

Der Wissenschaftskongress PARTEC, der 2025 wieder parallel zur POWTECH TECHNOPHARM stattfindet, thematisiert ebenfalls additive Fertigungsverfahren, insbesondere den Aspekt der Partikeltechnologie und ihre Auswirkungen auf den 3D-Druck. Und auch auf den Expertenforen in den Messehallen werden, wie schon 2023, wieder Einblicke in Möglichkeiten und Voraussetzungen der additiven Fertigung geben.

Eine Person hält ein graues Werkstück in Form einer Doppel-Helix in den Händen. Im Hintergrund ist eine Maschine zu sehen — Additive Fertigungsverfahren ermöglichen Formen, die bislang sehr aufwendig herzustellen waren.

Insbesondere bei der Aufbereitung von Ausgangsprodukten, bei deren Qualifizierung und Zuführung zum eigentlichen 3D-Drucker spielen zahlreiche Kernverfahren der Pulver- und Partikeltechnologie eine Rolle. Dabei bestimmt das verwendete Druckverfahren und die eingesetzten Materialien, worauf es ankommt.

So sind beispielsweise beim Selective Laser Sintering (SLS) die Ausgangsprodukte pulverförmig. Verwendet werden unter anderem Metallpulver, etwa Aluminium und Titan, Siliciumcarbid, thermoplastisches Polyurethan und Polyamid. Die SLS-Pulver müssen eine einheitliche, relativ geringe Partikelgröße aufweisen. Sie werden vor der Verarbeitung getrocknet und gesiebt, um eine homogene Körnung sicherzustellen.

Ähnlich sind die Materialvoraussetzungen beim DED (Directed Energy Deposition) -Verfahren aus Metall- oder Keramikpulver. Die Ausgangsprodukte können explosiv sein; daher sind häufig Explosionsschutzmaßnahmen erforderlich.

Die klassische Siebtechnik wird dabei in angepassten Varianten eingesetzt. Beispielsweise bietet das Unternehmen assonic Dorstener Siebtechnik spezielle Maschinen für die ultraschallunterstützte Siebung von feinen Metall- und Kunststoffpulvern an, beginnend mit Maschenweiten von 20 µm. Die Sonic Speed Screen-Siebtechnologie arbeitet mit einer Kombination aus hochfrequentem Ultraschall und niederfrequenter Klopferanregung. So kann eine hohe Siebleistung bei geringem Platzbedarf realisiert werden. Mit dem Sonic Powder Conditioner kann die Metallversiebung und Aufbereitung für die additive Fertigung automatisiert werden. Zur batchweisen Verarbeitung von kleinen Pulvermengen kann man zudem die Mini Sonic Screen MSS 150 nutzen.

Bestehen die Ausgangsprodukte aus thermoplastischen Filamenten wie PLA oder ABS, ist wie bei Pulvern eine sorgfältige Trocknung nötig. Bei gängigen Druckverfahren wie Fused Filament Fabrication (FFF) kann es sonst zu Blasenbildung kommen. Die Filamente müssen zudem unter Umständen vor dem Druck auf die richtige Länge zugeschnitten werden.
Auch flüssige Ausgangsprodukte wie Harze, die für die Stereolithografie bzw. Digital Light Processing verwendet werden, müssen vor dem Druck verfahrenstechnisch vorbereitet werden. Pigmente und Additive werden durch Schütteln oder Rühren gleichmäßig verteilt. Verunreinigungen werden durch Filtration entfernt.

Materialeigenschaften sorgfältig analysieren

Bei allen vorbereitenden Verfahren kommt der Qualitätskontrolle eine hohe Bedeutung zu. Fremdstoffe, die die Druckqualität und Langlebigkeit der zu produzierenden Teile beeinträchtigen könnten, müssen entfernt werden. Neben der Partikelgröße werden auch die chemischen Eigenschaften sowie die Feuchtigkeit des Materials überprüft. Schon bei der Entwicklung der 3D-Druck-Verfahren unterstützen spezialisierte Messeaussteller wie etwa AZO. Im Technologie-Center des Unternehmens findet sich dazu ein sogenannter Toxicontainers. Er ermöglicht sicheres Testen von gefährlichen Rohstoffen, wie sie in der additiven Fertigung vorkommen. In diesem sicheren Versuchsraum mit PSA, Glovebox und spezieller Luftfilteranlage können die Materialien unter optimalen Bedingungen getestet und dabei höchster Schutz für Produkt und Bediener gewährleistet werden. Azo bietet darüber hinaus eine große Vielfalt an Lösungen für die Lagerung, Förderung, Zuführung, Konditionierung und Rückgewinnung von Kunststoff- und Metallmaterialien für die additive Fertigung.

Nach der korrekten Aufbereitung und Qualitätskontrolle wird das Material den Druckern zugeführt, etwa mittels speziellen Dosiersystemen für die Pulverförderung. Sie müssen eine unterbrechungsfreie Versorgung der 3D-Drucker sicherstellen. Das Produkt wird z. B. über eine Glovebox zugegeben und unter Schutzgas gefördert. Pneumatische sowie Vibrationsverfahren, Schneckenfördersysteme und Pulverdüsen finden hierbei Anwendung. Harze dagegen werden den Drucker-Baukammern teilweise über Pumpensysteme zugeführt. Vor der eigentlichen Druckkammer ist in der Regel ein Siebmodul vorgeschaltet.

Sicherheitsaspekte mitdenken

Auf Materialflusstechnik in 3D-Druckproduktionen hat sich IB Verfahrenstechnik, seit 2023 Mitglied der PIAB Gruppe, mit spezialisiert. Lösungen der Marke IB Additive entstehen aus einem umfangreichen Baukasten aus Ultraschallsiebstationen und Vakuumförderern. Durch die Modularität können bestehende Anlagen einfach umgebaut oder erweitert werden. Integrierte Inertisierung und eine Restsauerstoffüberwachung ergänzen die Hauptmodule.

Auf Safety in der additiven Fertigung ist auch der kompakte Inert-Sicherheitssauger ECODustPro 15 WB von Evo Products ausgelegt. Abgesaugte explosionsgefährdende Metallstäube werden durch ein Flüssigkeitsbad passiviert. Die sicherheitstechnische Vollausstattung umfasst ein Entgasungsventil, das den Stau von Gasen und Dämpfen vermeidet, sowie eine abgestufte Filterung durch H14-Patronenfilter und Spezial-VA-Filter. Ex-Schutz ist in Zone 22 gewährleistet.

Einem weiteren Sicherheitsaspekt widmet sich Process Sensing Technologies PST mit dem kompakten Sauerstoffanalysator Ntron SIL-O2. Als SIL2-Gerät eignet er sich insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen. Er lässt sich per Knopfdruck kalibrieren ist für eine einfache Integration vorbereitet.

Perfekte Abstimmung zwischen AM- und Pulverhandling-System

Gewinnbringend für den Endkunden sind insbesondere Partnerschaften zwischen Schüttgut-Handling-Experten und 3D-Druckerhersteller, wie etwa zwischen Volkmann und EOS. Gemeinsam haben sie eine skalierbare Pulverhandling-Lösung für Metallpulver erarbeitet, die bis zu sechs Drucker versorgen kann. Die Lösung umfasst neben dem Pre- auch das Post-Processing inklusive der Aufbereitung von gebrauchtem Pulver durch Siebung. Damit ist ein geschlossener Pulverkreislauf für den vollautomatischen 24/7-Betrieb realisierbar. Der Endanwender profitiert von einem einzigen Ansprechpartner während des gesamten Lebenszyklus seiner Anlage sowie von aufeinander abgestimmten AM- und Pulverhandling-Systemen.

Teilansicht der 3D-Druck-Fertigungsline bei BMW; im Hintergrund das Entpulverungsmodul von Volkmann.

Volkmann bietet ein breites Produktspektrum speziell für die Förderung von Metallpulvern bei der Additiven Fertigung an. Closed-Powder-Loops und ein hoher Automatisierungsgrad sind damit erreichbar. Mit seinen Maschinen für die zentrale Pulveraufbereitung ist das Unternehmen auch im BMW Group Additive Manufacturing Campus in Oberschleißheim vertreten. Das dortige System wurde im Rahmen des Forschungsprojekts IDAM (Industrialization and Digitalization of Additive Manufacturing) entwickelt. Nach dem 3D-Druckprozess werden restliche Pulver aufgefangen. Insbesondere bei teuren Materialien werden diese rekonditioniert und als Mischung mit den primären Ausgangsstoffen wieder eingesetzt.

Nach der Entpulverung wertvolle Materialien recyceln

Weitere Verfahrenstechniken aus dem POWTECH-TECHNOPHARM-Angebot können im letzten Prozessschritt zum Einsatz kommen, etwa Vibrationssiebe wie das Cuccolini-Sieb 3D 500. Mit ihm gelingt eine einfache und praktische Rückgewinnung von Metallpulvern. Der Hersteller bietet es mit diversen Zusatzpaketen, etwa einem Auffangbehälter, Lösungen für die Gasinertisierung und für die Prozesssteuerung an.

Auch die Pulveraufbereitungseinheiten von Telsonic sind im Prozessschritt nach dem eigentlichen Drucken nützlich. Sie sieben Verklumpungen und andere Verunreinigungen mit Hilfe von Ultraschall aus. Mit einer Trennschärfe von annähernd 99 Prozent scheiden sie das wiederverwendbare Gutkorn vom Überkorn. Derartige Pulveraufbereitungseinheiten können in den 3D-Drucker integriert, extern angebaut oder als Standalone-Systeme eingesetzt werden.

Neben der Kompetenz der Hersteller verfahrenstechnischer Maschinen können Entwickler von 3D-Druck-Verfahren auch die Leistungen von Serviceunternehmen wie die Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien GMBU e.V. in Anspruch nehmen. Im Bereich der additiven Fertigung entwickelt und bewertet die Gesellschaft Verfahren zur Qualitätssicherung, funktionelle Prototypen und Materialien wie Filamente und Granulate (z. B. biobasiert, mikrofaserverstärkt, schäumbar oder rezyklatbasiert). Bei Bedarf stellt sie diese auch im Labormaßstab her. Somit finden neben Konstrukteuren von 3D-Druck-Lösungen auch die Entwickler geeigneter Materialien sowie die Endanwender aus diversen Branchen auf der POWTECH TECHNOPHARM Ansprechpartner und Experten, die sie bei ihrem Ziel unterstützen.

Autor

Dr. Ulla Reutner

Chemist and freelance specialised journalist