Kunststoffpulver für die additive Fertigung analysieren, charakterisieren und qualifizieren

Auf die äußeren Faktoren kommt es an

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Kunststoffpulver mir unterschiedlicher Fließfähigkeit Bilder: Inspire
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Kunststoffe, welche für die pulverbettbasierte additive Fertigung (SLS, MJF, HSS) erfolgreich eingesetzt werden sollen, müssen eine ganze Reihe unterschiedlicher Charakteristika erfüllen. Dabei unterscheidet man zwischen intrinsischen und extrinsischen Eigenschaften.

Die „inneren“ Eigenschaften eines Kunststoffs wie zum Beispiel Schmelz- und Kristallisationspunkt lassen sich meist gut bestimmen, oft aber von außen nur marginal beeinflussen beziehungsweise für den Fertigungsprozess anpassen. Optische Eigenschaften (etwa Absorption) oder auch die Viskosität der Schmelze gehören ebenfalls in diese Kategorie.

Für die Verarbeitung von Kunststoffpulvern in pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren spielen allerdings die extrinsischen, von außen eingebrachten Eigenschaften eine große Rolle. Die Pulververteilung einerseits, aber viel mehr noch die Geometrie der einzelnen Pulverkörnchen („Rundheit“) und deren Oberflächenstruktur beeinflussen Größen wie Fließfähigkeit und Fluidisierungsverhalten des Pulvers. Diese Größen werden stark durch das Pulverherstellungsverfahren determiniert und sind zentrale Erfolgsfaktoren für die spätere Bauteilqualität. Eine perfekte und fehlerfreie Applikation des Pulvers auf dem Baufeld, mit genügend hoher Pulverdichte hängt von diesen Größen ab.

Wie aber lassen sich nun Größen wie Fließfähigkeit und Fluidisierbarkeit von Pulvern analytisch so erfassen, dass die Messergebnisse für die pulverbettbasierte additive Fertigung aussagekräftig sind? Wie können Einflüsse wie Feuchtigkeit oder erhöhte Prozesstemperaturen bei den Messungen berücksichtigt werden? Bei Inspire wird intensiv an solchen Fragestellungen gearbeitet, um der Industrie in Zukunft validierte Messmethoden an die Hand zu geben, welche bei der Implementierung additiver Verfahren in die jeweiligen Prozessketten als QS-Maßnahmen eingesetzt werden können.

Bei den Arbeiten zu diesem Thema wurde zum Beispiel erkannt, dass „klassische“ Kenngrößen zur Bestimmung der Partikelform wie Zirkularität und Aspektverhältnis für Pulver zur additiven Fertigung nicht genug aussagekräftig sind. Bei der Untersuchung vieler unterschiedlicher AM-Forschungspulver zeigte sich, dass eine neu eingeführte Größe für die Partikelgeometrie, die sogenannte Eliptic Smoothness, besser mit dem tatsächlichen Prozessverhalten der jeweiligen Pulver korreliert.

Alle Arbeiten in diesem Zusammenhang drehen sich also um die Frage: Wie kann der Anwender Prozesspulver unter prozessnahen Bedingungen analysieren und qualifizieren, und welche Aussagekraft besitzen die gemessenen Werte für die finale Bauteilqualität? Ein einfacher Ansatz dazu wurden mittlerweile auch von der „Normierung“ untersucht und die Fließfähigkeit von Standard-SLS-Pulver mit Hilfe der Hausner-Zahl, also dem Quotienten aus Schütt- und Stampfdichte des Pulvers, in eine VDI-Empfehlung (VDI 3405 Blatt 1.1) übernommen. ■


Der Referent

Dr. Manfred Schmid

Leiter R&D SLS
Innovation Center for Additive Manufacturing Switzerland

Inspire/ETH Zürich

www.inspire.ethz.ch

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