Wie kann ich die Pulverentfernung in der additiven Fertigung verbessern?

In den vergangenen Jahren haben Fortschritte bei Hard- und Software in der additiven Fertigung zu höheren Druckgeschwindigkeiten, mehr Prozesssicherheit und besserer Skalierbarkeit geführt. Dadurch hat sich die Technologie von einer reinen Prototyping Lösung zu einem industriellen Fertigungsverfahren entwickelt. Gleichzeitig sehen viele in der Branche das Potenzial von additiver Fertigung noch immer durch nachgelagerte Schritte wie Bauteilreinigung und Nachbearbeitung begrenzt.

Im Metall-3D-Druck zum Beispiel galt die Pulverentfernung lange als Bottleneck. Dieser Schritt ist entscheidend für die Herstellung industrietauglicher Bauteile, war jedoch aufgrund manueller Abläufe und der steigenden Komplexität der Bauteilgeometrien besonders aufwendig. Inzwischen zeichnet sich hier ein Wandel ab, nicht zuletzt durch automatisierte Lösungen zur Pulverentfernung wie die SFM-Systeme von Solukon.

Diese Systeme nutzen intelligente Algorithmen, um die Pulverentfernung zu automatisieren und zu optimieren, und verändern damit die Nachbearbeitung in der metallischen additiven Fertigung grundlegend. Gleichzeitig sind sie nur ein Teil des Weges (wenn auch ein sehr wichtiger) hin zu einer wirklich skalierbaren und effizienten Pulverentfernung. Wie sich zeigt, können Hersteller bereits in der Konstruktionsphase und vor dem Druck gezielt ansetzen, um die Pulverentfernung zu verbessern und ihre Produktionsabläufe insgesamt effizienter zu gestalten.

Eine neue Ära der Pulverentfernung

Die Bedeutung einer effektiven Pulverentfernung bei 3D gedruckten Metallteilen kann nicht oft genug betont werden. Nach dem Entnehmen aus dem Pulverbett haften häufig noch lose, nicht verschmolzene Partikel an der Oberfläche oder verbleiben in Hohlräumen, Kanälen und anderen Geometrien. Dieses Pulver stellt nicht nur ein Sicherheitsrisiko für das Bedienpersonal dar, sondern kann sich auch negativ auf die Oberflächenqualität, Formgenauigkeit und die Gesamtperformance der Bauteile auswirken, wenn es nicht vollständig entfernt wird.

In den Anfangsjahren der Pulverbetttechnologien erfolgte die Pulverentfernung weitgehend manuell, etwa durch Absaugen, Abbürsten, Ausblasen oder Abklopfen. Dieses Vorgehen war sehr zeitaufwendig und konnte für ein einzelnes Bauteil mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Gleichzeitig war es mit erheblichen Gesundheits- und Sicherheitsrisiken verbunden.

Automatisierte Lösungen zur Pulverentfernung wie die SFM-Systeme von Solukon stellen daher eine wichtige Weiterentwicklung für die AM Branche dar. Durch die Kombination aus Hardware mit programmierbarer Zweiachsenrotation und gezielten Vibrationen sowie leistungsfähiger Software, insbesondere dem SPR Pathfinder, hat Solukon einen Ansatz etabliert, der schnell, automatisiert und an der Bauteilgeometrie ausgerichtet ist.

„Wir hören von Kunden immer wieder, dass Pulverentfernung die Zuverlässigkeit und Effizienz ihrer Nachbearbeitungsprozesse deutlich verbessert“, erklärt Sebastian Becker, Head of Product Management Metal beim 3D-Druck OEM EOS, einem langjährigen Partner und Kunden von Solukon. „Werden Solukon Systeme in Kombination mit EOS-Anlagen eingesetzt, ermöglichen sie einen stabilen und planbaren Übergang vom Druck zu den nachgelagerten Prozessschritten. Die automatisierte Rotation und Vibration entfernt Pulver selbst aus hochkomplexen Geometrien und reduziert den manuellen Aufwand, die Exposition des Bedienpersonals sowie die Schwankungen, die bei manueller Reinigung auftreten können, deutlich.“

Auch beim Luft- und Raumfahrtunternehmen Sòphia High Tech S.r.l. spielen die Lösungen zur Pulverentfernung von Solukon eine wichtige Rolle, um die Produktion von metallischen Bauteilen für eine höhere Kraftstoffeffizienz zu optimieren. Wie Nicola Sicignano, AM Specialist bei Sòphia High Tech, erläutert, gewährleistet das automatisierte System im Vergleich zu manuellen Verfahren wie dem Ausblasen mit Druckluft eine höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit. „Dadurch sinkt das Risiko von Verunreinigungen in nachgelagerten Schritten wie dem Abtrennen der Bauteile von der Bauplatte, dem Spülen des Bauteils und der Wärmebehandlung. Zudem ermöglicht der Betrieb in einer Inertgasumgebung eine sichere Rückgewinnung und Wiederverwendung des Pulvers, was sowohl die Materialeffizienz als auch die Nachhaltigkeit des gesamten Prozesses verbessert.

Optimale Pulverentfernung beginnt im Designprozess

Automatisierte Lösungen zur Pulverentfernung haben die industrielle additive Fertigung deutlich vorangebracht. Ihr volles Potenzial entfalten sie jedoch erst, wenn bereits vor dem Druck die richtigen Weichen gestellt werden. Schon in der Konstruktionsphase können Ingenieure gezielt Entscheidungen treffen, die die spätere Pulverentfernung erleichtern.

In der Regel gilt: Je komplexer ein Bauteil, desto anspruchsvoller ist die Pulverentfernung. Lange innenliegende Kanäle mit kleinen Durchmessern, verbundene Hohlräume, Gitterstrukturen oder hohe Schlankheitsverhältnisse können den Prozess deutlich erschweren. Gleichzeitig ist genau diese Gestaltungsfreiheit ein wesentlicher Grund dafür, dass additive Fertigung in Branchen wie Luft und Raumfahrt, Energie oder Medizintechnik eingesetzt wird. Die Lösung liegt daher nicht in vereinfachten Geometrien, sondern in durchdachten Konstruktionsentscheidungen.
 

 
„Frühe Konstruktionsentscheidungen haben einen erheblichen Einfluss auf die Möglichkeiten und die Effizienz der Pulverentfernung, erklärt Sebastian Becker von EOS. Faktoren wie die Bauteilorientierung im Bauprozess, der Durchmesser von Kanälen, Entleerungswinkel sowie die Positionierung von Öffnungen zum Pulverabfluss bestimmen maßgeblich, wie gut sich Pulver entfernen lässt“.

 
„Ein Design for Additive Manufacturing Ansatz ist entscheidend“, ergänzt Sicignano. „Dazu gehört die Optimierung von Geometrien im Hinblick auf eine erleichterte Pulverentfernung, der Einsatz von Simulationstools zur Vorhersage von Pulverfluss und möglichen Ansammlungen sowie die Festlegung standardisierter Konstruktionsrichtlinien für interne Kanäle“.

Die Software SPR-Pathfinder von Solukon ist ein solches Simulationstool und unterstützt Anwender dabei, Strategien zur Pulverentfernung bereits in der Konstruktionsphase zu berücksichtigen. Auf Basis einer Simulation des Pulververhaltens berechnet die Software Bewegungsabläufe, die auf die jeweilige Bauteilgeometrie abgestimmt sind. Anwender können die CAD-Daten eines Baujobs schon vor dem Druck in die Software einspielen und eine optimierte Bewegungssequenz für die spätere Pulverentfernung erzeugen. So lässt sich frühzeitig beurteilen, ob die Entpulverung für eine bestimmte Geometrie effizient ablaufen wird oder ob Anpassungen am Design sinnvoll sind. Gleichzeitig werden kritische Bereiche im Bauteil sichtbar, die für ein besseres Ergebnis bei der Pulverentfernung überarbeitet werden sollten.

Weitere Strategien für eine bessere Pulverentfernung

Neben konstruktiven Maßnahmen gibt es weitere Möglichkeiten, die Pulverentfernung bereits vor dem Druck zu verbessern. In der Druckvorbereitung spielen zum Beispiel die Bauteilorientierung und die Generierung von Stützstrukturen eine wichtige Rolle, da sie beeinflussen, wie viel Pulver später entfernt werden muss und wie gut sich die Bauteile reinigen lassen. Auch weitere Parameter wie die Steuerung des Gasflusses können zu saubereren Bauteilen und einer effizienteren Pulverentfernung beitragen.

„Verbesserungen lassen sich entlang der gesamten Prozesskette erzielen“, führt Becker weiter aus. „Einige EOS-Kunden optimieren beispielsweise ihre Druckparameter, um die Haftung von Pulver zu verringern. Gasflusskonzepte und kontinuierlich weiterentwickelte Prozessparameter tragen zudem dazu bei, die Oberflächen der Bauteile bereits während des Bauprozesses glatter zu halten. Darüber hinaus setzt EOS-Technologien ein, die den Bedarf an Stützstrukturen reduzieren und so die Effizienz der Pulverentfernung weiter steigern.

Zwei zentrale Aspekte sollten dabei berücksichtigt werden:

• Minimierung von Stützstrukturen, um das Volumen an losem Pulver und den Aufwand für die Pulverentfernung zu reduzieren
• Strategische Bauteilorientierung, um die Pulverentfernung durch Schwerkraft zu unterstützen und Pulveransammlungen zu vermeiden

Weiter nachgelagert kann auch die Kombination automatisierter Systeme zur Pulverentfernung mit geschlossenen Pulverhandling Lösungen die Gesamteffizienz des additiven Fertigungsprozesses steigern. Insbesondere die SFM Systeme von Solukon ermöglichen die Rückgewinnung von Pulver und stellen sicher, dass dieses frei von Verunreinigungen bleibt. Dies verbessert sowohl die Materialeffizienz als auch die Nachhaltigkeit des gesamten Prozesses. Das Ergebnis sind stabilere Abläufe, ein geringerer manueller Eingriff und eine höhere Bauteilqualität.“

Fazit

Zentrale Nachbearbeitungsschritte wie die Pulverentfernung sind heute nicht mehr der Engpass, der sie lange Zeit waren, und lassen sich durch die Kombination aus automatisierten Lösungen und vorgelagerten Konstruktionsstrategien weiter optimieren.
 

Getrieben von intelligenten Simulationstools ermöglichen die fortschrittlichen Lösungen zur Pulverentfernung von Solukon, die Entpulverbarkeit eines Designs bereits vor Produktionsbeginn zu bewerten. Damit verändert sich der Ansatz grundlegend: Die Pulverentfernung wird nicht erst nachgelagert betrachtet, sondern schon vor dem Druck simuliert und validiert. Für Anwender bedeutet das eine effizientere und besser skalierbare Produktion sowie ein geringeres Risiko, Bauteile zu fertigen, die Prozesse verzögern oder aufgrund unzureichender Pulverentfernung nicht den Anforderungen entsprechen.

Wie Nicola Sicignano von Solukon Kunde Sòphia High Tech abschließend betont, führt die Kombination aus optimierten Konstruktionsansätzen und modernen automatisierten Lösungen zur Pulverentfernung zu den besten Ergebnissen in Bezug auf Effizienz, Sicherheit und Bauteilqualität.