Quality Engineering 02.2019

:: Qualitätssicherung in der additiven Fertigung
Kunststoffpulver für die additive Fertigung analysieren, charakterisieren und qualifizieren
Auf die äußeren Faktoren
kommt es an
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.
Kunststoffpulver mir
unterschiedlicher Fließfähigkeit
Bilder: Inspire
Der Referent
Dr. Manfred Schmid
Leiter R&D SLS
Innovation Center for
Additive Manufacturing
Switzerland
Inspire/ETH Zürich
www.inspire.ethz.ch
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 Ober -
flächenstruktur 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 ge -
arbeitet, 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.
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