Verfahrenstechnik 1/2021

VERFAHREN UND ANLAGEN

VERFAHREN UND ANLAGEN Entscheidender Faktor Additive Fertigung braucht trockene Prozessluft Die additive Fertigung im Metallbereich erfordert eine trockene Atmosphäre, um die Festigkeit und Integrität des Bauteils zu gewährleisten. Daher ist die Sicherstellung der optimalen Luftkonditionen ein entscheidender Faktor für den Gesamtprozess. Als besonders wirkungsvoll erweist sich hier die Verwendung von Rotationsentfeuchtern. Die schnelle Reaktion auf komplexe Kundenwünsche erfordert bei produzierenden Unternehmen eine hohe Flexibilität bei gleichzeitiger Wirtschaftlichkeit und entsprechender Produktqualität. Die zunehmende geometrische Vielfalt erhöht den Aufwand für die Hersteller in der Fertigung. Durch die Möglichkeit, schnell und kostengünstig Muster bzw. Modellobjekte, Prototypen und Endprodukte herstellen zu können, ist die additive Fertigung (Additive Manufacturing – AM) für viele Unternehmen Autor: Dipl.-Ing. Florian Matthieu, Projekt- und Produktmanagement, ULT AG, Löbau eine mögliche Antwort auf diese Anforderungen, da auf Basis von CAD-Daten direkt gefertigt werden kann. Dies bringt sehr viele Vorteile für den Produktentwicklungsund Herstellungsprozess mit sich. Es gibt eine ganze Reihe an Verfahren zur additiven Fertigung, die allesamt landläufig als 3-D-Druck bezeichnet werden. Der Fokus soll im Folgenden auf dem Prozess unter Verwendung von Metall liegen. Bei diesem Fertigungsprozess auf Pulverbasis wird sehr feines Metallpulver per selektivem Laserschmelzen (Selective Laser Melting – SLM) schichtweise aufgetragen, um teils hochkomplexe 3-D-Formen und Bauteile zu fertigen. Durch den schichtweisen Aufbau lassen sich funktionsoptimierte Geometrien umsetzen, die aus CAD-Daten gewonnen werden. Dieser Prozess ermöglicht die Herstellung teils komplexer Objektstrukturen. Feuchtekonzentration effektiv sicherstellen Um die hohen Qualitätsanforderungen zu gewährleisten, müssen verschiedene Herausforderungen in den Bereichen Pulver- Handling und Prozessluftumgebung im Fertigungsbereich vom Betreiber der AM- Anlagen bewältigt werden. Dazu gehören die Beherrschung der Luftsituation und die ständige Überwachung und Sicherstellung der genauen Feuchtekonzentration in der Umgebung. Denn die ungewollte Oxidation des Metallpulvers durch eine zu hohe Luft- feuchtigkeit stellt ein potenzielles Risiko für die Qualität des Endprodukts und die Prozessstabilität dar, da die physikalischen Eigenschaften gelagerter Werkstoffpulver beeinträchtigt werden. Um beispielsweise den SLM-Prozess effizient und nachhaltig zu gestalten, ist eine ganzheitliche Betrachtung des Prozesses vom sicheren Entpulvern additiv gefertigter Bauteile zu einer qualifizierten Aufbereitung überschüssiger Pulver bis zur Rückführung in den Prozess notwendig. Ein wichtiger Baustein dieser Aufbereitung ist die Trocknung des Pulvers. Außerdem muss eine möglichst trockene Prozessatmosphäre im Prozessraum zuverlässig einstellbar und ebenso konstant gewährleistet werden. 01 Einsatz eines Sorptionstrockners bei der Pulverlagerung 12 VERFAHRENSTECHNIK 01-02/2021 www.verfahrenstechnik.de

VERFAHREN UND ANLAGEN 02 Schematische Darstellung des Lufttrocknungsprozesses basierend auf Sorptionsverfahren Einer hocheffizienten Prozesslufttrocknung kommt eine Schlüsselfunktion für den stabilen AM-Prozess zu. Denn wenn die feinen metallischen Pulvermaterialien mit Partikelgrößenverteilung im Bereich von 20 bis 40 µm Luftfeuchte aufnehmen, werden sie für die sensiblen SLM-Prozesse unbrauchbar, da sie dann zum Verklumpen und Oxidieren, je nach Pulver-Werkstoffmaterial, neigen. Erst eine zuverlässig hohe Pulverqualität ermöglicht eine reproduzierbare Bauteilqualität unter gleichbleibenden Produktionsbedingungen. Tocknung als Teil des Lüftungskonzepts 1 Prozessluftvorfilter 2 Vorkühler 3 Sorptionsrotor mit Antrieben 4 Nachkühler 5 Prozessluftventilator 6 Prozessluftnachfilter 7 Regenerationsluftfilter 8 Wärmeübertrager 9 Elektrische Heizung 10 Regenerationsluftventilator Die Anforderungen an die Prozesslufttrocknung für Produktionsraumumgebungen liegen dabei im Bereich von 19 bis 22 °C bei 10 bis 40 % regelbarer relativer Luftfeuchte, die je nach Auswahl der pulverförmigen Metallmaterialien konstant gehalten werden sollte. Das entspricht einem Taupunkt bis zu – 10 °C (Tp). Um trockene Prozessluft mit diesen Bedingungen zu erzeugen, reichen konventionelle Methoden wie die einfache Kondensation des Wasserdampfes an Kühlregistern nicht mehr aus. Um den Restfeuchtegehalt der Luft so weit zu reduzieren, sind sorptive Prozesse somit sinnvoll und hierfür notwendig. Fast alle im 3-D-Druckverfahren verarbeitete Metallpulver, die nicht von der Umgebungsatmosphäre abgeschirmt sind, neigen sehr stark zur Feuchtigkeitsaufnahme. Dies führt insgesamt zu einer Materialverschlechterung, die innerhalb der AM/3-D- Druckverfahren kaum zu korrigieren ist, und somit eine langwierige und kostspie lige Nachbearbeitung bzw. -produktion erfordert. Daher ist der Feuchtigkeitsgehalt der Luft in der Umgebung des Metallpulvers an jeder Stelle des Prozesses sicherzustellen. Ein Hauptaspekt bei erfolgreich installierten Konzepten in der AM-Industrie war und ist auch die Klimatisierung und Trocknung des Aufstellungsraumes der 3-D-Druckanlage bzw. des gesamten 3-D-Druck Prozesses. So kann sichergestellt werden, dass das Metallpulver auch beim Umfüllen, Abfüllen, Absaugen und sonstigen Handling-Arbeiten an der Maschine nicht mit zu hoher und nicht kontrollierterLuftfeuchtigkeit in Kontakt kommt und somit jederzeit wiederverwendet werden kann. Zudem kann der Hohe Pulverqualität ermöglicht reproduzierbare Bauteilqualität unter konstanten Produktionsbedingungen Druckjob auch nach Öffnung des Prozessraums in Bezug auf die Luftfeuchtigkeit und die Pulverqualität fortgesetzt werden. Sorptionstechnik bietet entscheidende Vorteile Als besonders wirkungsvoll erweist sich hier die Verwendung von Rotationsentfeuchtern. Dabei wird der vorentfeuchtete Luftstrom durch ein rotierendes, mit Adsorptionsmittel beschichtetes Sorptionsrad geleitet und weiter auf einen einstellbaren tiefen Taupunkt herunter getrocknet. Auf der Gegenseite wird das Rad regeneriert (Desorption), um das kontinuierliche Aufbereiten der zu trocknenden Luft effektiv und konstant zu gewährleisten. Die Wassermoleküle in der angesaugten Luft werden gleichzeitig mittels Desorption kontinuierlich durch Wärme aus dem Adsorptionsmittel herausgetrieben und als Adsorbat in einem separaten Luftstrom aus der Anlage in die Außenatmosphäre geführt. Durch Erweiterung des Sorptionsmoduls ULT Dry-Tec beispielsweise mit Vor- und Nachkühlern ULT Cool-Tec V und ULT Cool-Tec N bzw. einem Nachheizer ULT Warm-Tec, können sogar Taupunkte von bis zu – 65 °C (Tp) und eine beliebige Temperatur erreicht werden. Die Vor- und Nachkühlermodule können optional mit unterschied lichen Filterelementen entsprechender Filterklassen ausgerüstet werden. Derart niedrige Taupunkte (< – 10 °C Tp) sind für die Lagerung des Metallpulvers allerdings kaum notwendig. Die Prozessluft-Trocknungsanlage ULT Dry-Tec ist eine anschlussfertige, kompakte und modulare Anlagenkonzeption mit einer sehr hohen Entfeuchtungsleistung bei gleichzeitig niedrigem Energiebedarf. Dazu gehören regelbare Ventilatoren für den Prozessluftstrom und den Regenerationsluftstrom sowie eine integrierte Wärmerückgewinnung. Durch das effektive Wärmerückgewinnungssystem können bis zu 35 % der notwendigen Leistung zur Erhitzung des Luftstromes im Desorptionskreislauf eingespart werden. Die Wärme wird dabei aus dem Abluftstrom und einem Teil der darin enthaltenen Kondensationswärme gewonnen. Diese ansonsten ungenutzte Energie erwärmt direkt den angesaugten Regenerationsluftstrom und trägt so zur Energieeinsparung bei der Regeneration des Sorptionsrades bei. Fotos: ULT, Solukon, Ampplus www.ult.de www.verfahrenstechnik.de VERFAHRENSTECHNIK 01-02/2021 13