Minimierung der Materialverschwendung in SLS-Prozessen

Einer der Hauptvorteile der additiven Fertigungstechniken gegenüber der traditionellen Bearbeitung ist die drastische Reduzierung des Materialabfalls, der während des Produktionsprozesses entsteht. Dies führt nicht nur zu spürbaren Kosteneinsparungen, sondern trägt auch dazu bei, die additive Fertigung als wirklich nachhaltige und kostengünstige Technologie zu unterstützen. Selektive Lasersinterverfahren (SLS) sind in dieser Hinsicht besonders attraktiv, da Abfallmaterial am Ende einer Auflage wiederverwendet werden kann – eine Möglichkeit, die Materialkosten drastisch zu senken. Nach Abschluss des Drucks können alle Materialreste im Pulverbett einfach gesammelt und im nächsten Projekt wiederverwendet werden, wodurch Materialverschwendung theoretisch vollständig vermieden werden sollte. In der Praxis ist der „Upcycling“-Prozess jedoch nicht ganz so einfach…

Es ist wichtig zu wissen, dass (zum Zeitpunkt des Schreibens) das einfache Sammeln und Wiederverwenden von Pulverresten bei bestimmten Materialien nicht möglich ist. Beispielsweise sind die derzeit für den Druck verfügbaren Holz-Polymer-Verbundwerkstoffe durch ihre Materialqualität und -reinheit limitiert und werden erst dann recycelbar sein, wenn Technologien zur Stofftrennung zur Verfügung stehen. Ähnliche Probleme treten bei einer Reihe weit verbreiteter Metallpulver auf, bei denen die Nebenprodukte des SLS-Prozesses möglicherweise die chemische Qualität aller verbleibenden Pulver beeinträchtigen können. Auch bei höchster Präzision während des Sinterprozesses kommt es unweigerlich zu zusätzlichen Partikeln im Pulverbett, die verschmelzen, ohne sich am Bauteil anzuheften, die Größenverteilung des Materials beeinträchtigen und somit bei Wiederverwendung zu Inkonsistenzen führen.

Es gibt auch Bedenken, ob sich der Recyclingprozess auf die mechanischen Eigenschaften von Materialien (sowohl Metalle als auch Kunststoffe) und damit auf ihre Verwendbarkeit in zukünftigen Konstruktionen auswirken kann, insbesondere wenn AM eher für die Produktion als für das Prototyping verwendet wird. Es gibt laufende akademische Forschungen zu diesem Bereich und seinen möglichen Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit und die Kosten der additiven Fertigung. Insbesondere in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, in denen die Rohstoffe für die additive Fertigung recht teuer sind und gedruckte Teile nach den genauesten Spezifikationen geliefert werden müssen, würde die Möglichkeit, ungenutztes Rohmaterial ohne Auswirkungen auf seine mechanischen Eigenschaften zu recyceln, die Business Case für AM als Produktionswerkzeug.

Vor diesem Hintergrund haben eine Reihe von Unternehmen damit begonnen, Möglichkeiten zur Lösung dieser Probleme für SLS und andere Prozesse zu untersuchen, um sicherzustellen, dass so viel Pulverreste wie möglich recycelt werden können. Zum Beispiel kann ein Gasfluss in den Drucker eingebaut werden, um alle Nebenprodukte, die während des Sinterprozesses entstehen, herauszufiltern. Nach Abschluss des Druckvorgangs kann das verbleibende Material automatisch gesiebt werden, sodass geschmolzene Partikel entfernt werden und die Partikelgrößenverteilung konstant bleibt. Ebenso verfügen bestimmte SLS-Maschinen wie die AM250 von Renishaw über eine abgedichtete Bauplattform, die während des Druckens Feuchtigkeit, Stickstoff und Sauerstoff entfernt, um chemische Veränderungen am Pulverbett zu minimieren.

Die Herausforderung hierbei besteht darin, dass die tatsächliche Menge an Materialresten, die nach dem Drucken wiederverwendet werden kann, je nach Materialwahl, Druckermodell und spezifischer AM-Technik stark schwankt. Im Extremfall (z. B. beim Einsatz von Maschinen, bei denen eine der oben beschriebenen Maßnahmen nicht vorhanden ist) kann es sein, dass kein Material recycelt werden kann. Dies sollte vor der Investition in einen neuen 3D-Drucker bedacht werden, insbesondere wenn die laufenden Materialkosten ein großes Problem darstellen. In Kombination mit einer gut durchdachten Volumenverpackung und Produktionsplanung trägt ein effektiver Ansatz zur Minimierung von Materialverschwendung dazu bei, die Gesamtkosten der additiven Fertigung zu senken und zukunftsorientiertere Unternehmen zu ermutigen, ihren Einsatz als Produktionswerkzeug zu erkunden.