Minimierung der Materialverschwendung bei SLS-Prozessen

Minimierung der Materialverschwendung bei SLS-Prozessen

Einer der Hauptvorteile additiver Fertigungsverfahren gegenüber der traditionellen Zerspanung ist die Reduzierung des Materialabfalls, der während des Produktionsprozesses entsteht. Dies führt nicht nur zu spürbaren Kosteneinsparungen, und trägt auch dazu bei, die additive Fertigung als nachhaltige und kostengünstige Technologie zu nutzen. Selektive Laser-Sinter-Verfahren (SLS-Verfahren) sind in dieser Hinsicht besonders attraktiv, da nur eine geringe Menge an Material am Ende eines Fertigungsvorgangs nicht wiederverwendet werden kann - eine Möglichkeit, die Materialkosten drastisch zu senken. Wenn der Druckvorgang abgeschlossen ist, können ein Großteil der im Pulverbett verbleibenden Materialien einfach gesammelt und im nächsten Projekt wiederverwendet werden, wodurch theoretisch Materialverschwendung ganz vermieden werden sollte. In der Praxis ist der Upcycling-Prozess jedoch nicht ganz so einfach.

Es ist wichtig zu wissen, dass das Sammeln und Wiederverwenden von Pulverresten (zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels) mit bestimmten Materialien nicht möglich ist. Zum Beispiel sind die derzeit für den Druck verfügbaren Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe (WPC) durch ihre Materialqualität und -reinheit begrenzt und erst dann für das Recycling geeignet, wenn eine Technologie zur Materialtrennung verfügbar wird. Ähnliche Probleme treten bei einer Reihe von weit verbreiteten Metallpulvern auf, bei denen die Nebenprodukte des SLS-Prozesses möglicherweise die chemische Qualität des verbleibenden Pulvers beeinflussen können. Selbst bei höchster Präzision während des Sintervorgangs werden unvermeidlich zusätzliche Partikel im Pulverbett vorhanden sein, die miteinander verschmelzen, ohne sich an dem Teil zu befestigen, was die Größenverteilung des Materials beeinträchtigt und bei erneuter Verwendung zu Inkonsistenzen führt.

Es gibt auch Bedenken darüber, ob der Recyclingprozess die mechanischen Eigenschaften von Materialien (sowohl Metalle als auch Kunststoffe) beeinflussen kann und somit deren Verwendbarkeit in nachfolgenden Produktionen beeinflusst, insbesondere wenn AM für die Produktion und nicht für das Prototyping verwendet wird. In diesem Bereich wird ständig akademische Forschung betrieben, um mögliche Auswirkungen auf Nachhaltigkeit und eine Verringerung der Kosten der additiven Fertigung zu erreichen. Insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, in denen die für die additive Fertigung verwendeten Rohstoffe recht teuer sind und additiv gefertigte Teile genauestens geliefert werden müssen, würde die Möglichkeit, ungenutztes Rohmaterial ohne Beeinflussung seiner mechanischen Eigenschaften recyceln zu können, eine breitere Anwendung bewirken für AM als Produktionswerkzeug.

Vor diesem Hintergrund haben einige Unternehmen nach Wegen gesucht, um diese Probleme für SLS und andere Prozesse zu lösen, um sicherzustellen, dass möglichst viel Pulverreste recycelt werden können. Zum Beispiel kann ein Gasstrom in den Drucker eingebaut werden, um Nebenprodukte, die während des Sinterprozesses entstehen, herauszufiltern. Nachdem der Druckvorgang abgeschlossen ist, kann das restliche Material automatisch gesiebt werden, so dass eventuell verschmolzene Partikel entfernt werden und die Partikelgrößenverteilung gleich bleibt. In ähnlicher Weise verfügen bestimmte SLS-Maschinen wie die Renishaw AM400 über eine versiegelte Bauplattform, auf der während des Druckens Feuchtigkeit, Stickstoff und Sauerstoff entfernt werden, um chemische Veränderungen im Pulverbett zu minimieren. Die Herausforderung hierbei ist, dass das tatsächliche Volumen des verbleibenden Materials, das nach dem Drucken wiederverwendet werden kann, je nach Materialauswahl, Druckermodell und spezifischer AM-Technik stark variiert.

In extremen Fällen (z. B. bei der Verwendung von Maschinen, für die die oben beschriebenen Maßnahmen fehlen) ist es möglich, dass kein Material recycelbar ist. Dies sollte vor der Investition in einen neuen 3D-Drucker in Betracht gezogen werden, insbesondere wenn die laufenden Materialkosten den Hauptpunkt der Kalkulation darstellen. In Kombination mit einer durchdachten Volumen- und Produktionsplanung kann ein effektiver Ansatz zur Minimierung des Materialabfalls dazu beitragen, die Gesamtkosten der additiven Fertigung zu senken und mehr zukunftsorientierte Unternehmen werden ermutigt, ihre Verwendung als Produktionswerkzeug zu erkunden.