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Pulverdruck

Der „wahre“ 3-D-Druck

Dieses Bild zeigt auf der linken Seite einen Mann von der Seite in der Größe einer Spielzeugfigur. Auf der gegenüberliegenden Seite guckt der gleiche Mann nur mit seinem Kopf abgebildet auf sein Ebenbild in Miniaturgröße.

Oft wird 3-D-Druck als Überbegriff über alle additiven Fertigungsverfahren verwendet. Laut VDI Richtlinie 3405 ist der Pulverdruck allerdings der „wahre“ 3-D-Druck. In den letzten Jahren erfreut sich der Pulverdruck immer größerer Beliebtheit. In Industrie und Forschung wird dieses Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen mehrfarbigen Mustern oder Einzelbauteilen eingesetzt. Es können beispielsweise kleine Spielzeuge, Deko-Objekte oder Ähnliches hergestellt werden, aber auch Prototypen, deren Design damit in den Vordergrund gestellt werden soll; denn mechanisch belastbar sind Objekte aus einem Pulver-3-D-Drucker nicht.

Verfahren

Bei diesem Verfahren wird das pulverförmige Ausgangsmaterial durch Bindemittel schichtweise verfestigt bzw. vorgebunden. Im Anschluss werden die im Rohzustand leicht zerbrechlichen Objekte mittels Wachs oder Epoxidharz infiltriert, um die finale Festigkeit zu erreichen. Im Gegensatz zu anderen 3-D-Druck-Verfahren sind mittels Pulverdruck auch mehrfarbige Objekte möglich – abhängig von der Anzahl der Druckköpfe. Die Wirkungsweise dieser Druckköpfe ist ähnlich der Funktion eines Druckkopfs in einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker. Der größte Vorteil dieses Verfahrens ist das Erstellen von komplexen farbigen Strukturen. Das nicht verfestigte Ausgangsmaterial dient während des Prozesses als Stützstruktur und kann nach dem Aushärten entfernt und sogar wiederverwendet werden. Somit ist neben der hohen Designfreiheit auch eine Schonung der Ressourcen möglich.

Ausgangsmaterialien

Verwendet werden pulverförmige Ausgangsmaterialien, z. B. Polymergips für das Grundgerüst des zu druckenden Objekts – ein sehr fein zermahlenes Pulver, das aus Gips und Kunstharzen besteht. Zusätzlich kommen verschiedene Bindemittel, wie Wachs, Epoxidharz oder Sekundenkleber, zum Einsatz. Vorrangig werden Gips und verschiedene Kunststoffpulver verarbeitet. Andere Ausgangsmaterialien sind Keramik, Metall oder Holz. Je nach Ausgangsmaterial muss der Binder entsprechend angepasst werden. Die Pulver sind getrennt von Lebensmitteln zu lagern. Auf staubarmes Arbeiten ist generell zu achten. Diese allgemeinen Schutzmaßnahmen sind auch in der Gefahrstoffverordnung verankert.

Vorbereitung – Pre-Process

Bevor ein fertiges dreidimensionales Bauteil entstehen kann, müssen die Daten für das Werkstück mit einem CAD-Programm digital erfasst werden. Diese Daten werden dann an den 3-D-Drucker übertragen. Ebenso muss der Vorratsbehälter des Druckers mit Ausgangsmaterial – also Pulver – befüllt werden. Die Druckköpfe haben ebenfalls meist kleine Tanks, die mit dem flüssigen, farbigen Bindemittel gefüllt werden.

Der Druckprozess – In-Process

Das Prinzip eines Pulverdruckers ist dem eines Tintenstrahldruckers sehr ähnlich. Daher lässt sich für den Pulverdruck auch die Begrifflichkeit 3-D-Druck ableiten. Das CAD-Modell wird vom Computer an den Drucker weitergeleitet. Das pulverartige Ausgangsmaterial wird aus dem Versorgungsbehälter durch eine Walze als hauchdünne Schicht auf einer Bauplatte aufgetragen. Der Druckkopf bringt anschließend das Bindemittel in die zu verfestigenden Strukturen auf. Dadurch werden die einzelnen Pulverschichten miteinander verbunden. Farbige Bindemittel ermöglichen die Einfärbung des späteren Werkstückes. Vor dem nächsten Druckschritt, senkt sich die Bauplatte um ca. 0,1 mm ab und schafft somit Platz für eine neue Schicht. Durch die Walze wird schichtweise neues Pulver aufgetragen und mittels Binder aus dem Druckkopf verfestigt. Somit entsteht Schicht für Schicht die gewünschte Struktur. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis das CAD-Modell als fertiges 3-D-Modell im Drucker entstanden ist.

Nachbereitung – Post-Process

Das im Rohzustand noch sehr zerbrechliche Objekt wird nach der Fertigung vorsichtig vom überschüssigen, nicht mittels Binder verfestigten Pulvermaterial gereinigt. Das übrig gebliebene Pulver muss nicht entsorgt werden, sondern kann für einen neuen Druckvorgang wiederverwendet werden. Das fragile Werkstück wird anschließend infiltriert. Dies geschieht meist manuell mittels eines Tauchverfahrens. Dabei besteht die Möglichkeit von Hautkontakt mit dem Infiltrat, gegen das man sich schützen muss. Das Infiltrat härtet im Objekt aus und verleiht ihm die endgültige Festigkeit. Gängige Infiltrate sind Acrylate wie bspw. Sekundenkleber. Im Anschluss können kleine Ecken und Kanten bzw. Grate mittels Schleifen (spanender Nachbearbeitung) entfernt werden.

Wartung/Reinigung

Prinzipiell sollte das übrig gebliebene, lose Pulver direkt nach dem Druckprozess entfernt werden. Am vorteilhaftesten wäre es, den Pulverstaub mittels eines Saugers zu entfernen oder feucht aufzuwischen, da Kehren oder Fegen zu größeren Verwirbelungen und somit einer höheren Staubbelastung führen würde. Auch sind diese Reinigungsmöglichkeiten laut Gefahrstoffverordnung verboten. Werden organische Stäube als Ausgangsmaterial verwendet, muss sorgfältig geprüft werden, ob ein explosionsgeschützter Staubsauger der Bauart Zone 22 nach DIN EN 60335-2-69 verwendet werden muss. Hierbei bietet die DGUV-I 209-084 „Industriestaubsauger und Entstauber“ eine Hilfestellung. Viele Hersteller bieten auch Komplettlösungen inkl. eines Handschuhkastens (Glovebox) an. Dadurch lässt sich staubarmes Arbeiten gewährleisten.

Schutzmaßnahmen

Um Geruchsbelästigung durch eventuell auftretende Gase zu vermeiden, ist es sinnvoll, den Drucker nicht neben dem Arbeitsplatz bzw. Schreibtisch, sondern in einem separaten Raum aufzustellen. Auf gute Lüftung ist zu achten! Die TRGS 900 beinhaltet eine Liste mit stoffspezifischen Arbeitsplatzgrenzwerten. Sofern kein stoffspezifischer Grenzwert vorgegeben ist, sollte der allgemeine Staubgrenzwert beachtet werden. Prinzipiell wird zwischen der aveolengängigen (A-) und einatembaren (E-) Staubfraktion unterschieden. Für Stäube ohne spezielle toxische Wirkung gelten allgemeine Obergrenzen für die A- sowie E-Staubfraktion (AGW A-Staub: 1,25 mg/m3, AGW E-Staub: 10 mg/m3). Die Persönliche Schutzausrüstung ist entsprechend der sehr feinen Partikelgröße der Pulver anzupassen. Die Hände müssen bei Handling des Pulvers bzw. während des Nachbereitungsschritts der Infiltration mit undurchlässigen Handschuhen am besten aus Nitril geschützt werden, um ein Verschleppen des Pulvers und den direkten Hautkontakt mit dem Infiltrat zu vermeiden. Besteht die Möglichkeit von Pulververwirbelungen und Inflitratspritzern bei der Nachbehandlung, muss man, um die Augen zu schützen, während der Arbeitsgänge eine Schutzbrille tragen und für den Notfall eine Augendusche im Arbeitsbereich haben. Ansonsten empfiehlt sich geschlossene Kleidung – evtl. inkl. Schürze – und geschlossenes Schuhwerk. Können Staubverwirbelungen während des Pulver-Handlings nicht ausgeschlossen werden, empfiehlt sich das Tragen partikelfiltrierenden Atemschutzes.

Entsorgung

Da für den 3-D-Pulverdruckprozess verschiedenste Ausgangsmaterialien verwendet werden, muss auch bei deren Entsorgung auf einige Punkte geachtet werden. Pulver oder Bindemittel dürfen nicht in Gewässer, Abflüsse etc. abgelassen werden. Stattdessen kann durch den fast vollständigen Gebrauch dieses Produkts der Abfall reduziert werden. Bleiben dennoch Reste, so sollten diese nicht über den Hausmüll entsorgt werden. Die bundesweiten oder regionalen Vorschriften müssen hierzu beachtet werden.

Isa Schneider

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