Schicht um Schicht

Unter dem umgangssprachlichen Begriff 3D-Druck verbergen sich eine Reihe verschiedener additiver Verfahren, die alle das Ziel verfolgen, dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aufzubauen. Es lassen sich dabei mindestens elf Fertigungsverfahren unterscheiden. In der Norm DIN EN ISO/ASTM 52900 werden Begriffe und Grundlagen der additiven Fertigung definiert, um die weltweite Kommunikation für diesen Technologiebereich zu erleichtern.

Grundlegendes Verfahren

Sämtliche additive Verfahren haben das sogenannte Schichtbauprinzip gemeinsam. Es beruht auf der Annahme, dass alle Objekte in Scheiben geschnitten und somit aus diesen aufgebaut werden können.

Um ein Objekt additiv zu fertigen, sind mehrere Arbeitsschritte erforderlich. Diese lassen sich in drei Hauptprozesse unterteilen:

• Pre-Prozess: Zu den arbeitsvorbereitenden Schritten gehören die Daten- und Anlagenvorbereitung.
• In-Prozess: Nach der Arbeitsvorbereitung erfolgt der eigentliche Druckprozess, das heißt der Schichtaufbau.
• Post-Prozess: Abschließend müssen die gefertigten Objekte von Stützkonstruktionen getrennt beziehungsweise die Oberflächen nachbearbeitet werden. Je anspruchsvoller die spätere Anwendung der gefertigten Objekte ist, umso mehr Nachbearbeitungsschritte fallen in der Regel an.

Daher ist ein schnelles Drucken ohne weitere Nachbearbeitung nur in Ausnahmefällen möglich. Besonders beim industriellen Einsatz von additiven Fertigungsverfahren müssen alle notwendigen Schritte, vom Pre- bis Post-Prozess, aufeinander abgestimmt sein, damit am Ende ein Objekt entsteht, das die vorher festgelegten Anforderungen erfüllt.

Einsatzmöglichkeiten des 3D-Druckers

In der Industrie werden additive Verfahren immer häufiger eingesetzt. Dabei lösen sie meist nicht die konventionellen Fertigungsverfahren ab, sondern ergänzen diese. Oft stößt die konventionelle Fertigung an die Grenzen der Machbarkeit seitens der Geometrie. Dann können additive Verfahren die Lösung sein. Nahezu jede denkbare Form kann mithilfe des Schichtbauprinzips entstehen. Je nach Verfahren können unterschiedlichste Materialien verwendet werden. Da die Verfahren stetig weiterentwickelt werden und damit die Materialauswahl wächst, nimmt der 3D-Druck auf nahezu sämtliche Branchen Einfluss. Anwendungsgebiete gibt es beispielsweise in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Energieerzeugung, in Motorsport, Medizin und Schmuckindustrie.

Zu den bekanntesten Verfahren gehört das Fused Layer Modelling. Baumärkte, Elektronikfachgeschäfte oder der Onlinehandel bieten entsprechende Geräte an. Bei diesem Verfahren wird ähnlich einer Heißklebepistole ein dünner Kunststoffdraht geschmolzen und anschließend Schicht für Schicht auf eine Bauplattform aufgetragen. Dabei entstehen Objekte, die sich zum Beispiel zur Dekoration oder als Ersatzteile nutzen lassen.

Auswahl des geeigneten Verfahrens

Die Verfahren unterscheiden sich vor allem in der Art und Weise, wie die Schichten aufgebaut beziehungsweise verbunden werden. Charakteristisch sind zudem verschiedene Ausgangsmaterialien und Einsatzmöglichkeiten der gefertigten Objekte.

Die Anforderungen an das zu fertigende Bauteil spielen meist die größte Rolle bei der Auswahl des additiven Verfahrens. Sicherheit und Gesundheitsschutz sollten aber gleichermaßen berücksichtigt werden, um teure Nachrüstungen zu vermeiden. Daher sollten Betriebe sich frühzeitig und intensiv damit auseinandersetzen, welche Verfahren beziehungsweise Maschinen infrage kommen, insbesondere auch aus dem Blickwinkel des Arbeitsschutzes.

Gefährdungsbeurteilung beginnt vor dem Kauf

Mit der Gefährdungsbeurteilung sollten Unternehmen vor dem Kauf einer Maschine beginnen, um wesentliche Aspekte der Arbeitssicherheit und des Gesundheitsschutzes im Vorfeld abklären zu können. Produkte, die innerhalb der EU verkauft werden, müssen den jeweiligen EU-Richtlinien entsprechen. Für 3D-Drucker, egal welcher Größe oder Typs, ist das momentan die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG.

Betreiber können das meist nur formal abklären, indem sie sich auf die Angaben des Herstellers in der Konformitätserklärung verlassen. Das auf dem Typenschild vorhandene CE-Zeichen ist kein Prüfzeichen, sondern lediglich eine Erklärung des Herstellers, die zutreffende EU-Richtlinie angewandt zu haben. Hat die Maschine zusätzlich ein GS-Prüfzeichen, bedeutet das, dass eine unabhängige Prüfstelle bereits grundlegende Sicherheitsanforderungen überprüft hat (Informationen zur Prüfstelle Druck und Papierverarbeitung siehe Infobox).

Weitere wichtige zugehörige Dokumente sind Sicherheitsdatenblätter und Betriebsanleitung. Die Betriebsanleitung muss die erforderlichen Hinweise zu den Themen Sicherheit, Aufstellung, Betrieb, Beschicken, Wartung, Reinigung und Störungsbeseitigung beinhalten. Sie bildet eine wichtige Grundlage für die Unterweisung der Beschäftigten.

Vor dem Kauf müssen Betriebe zusammen mit dem Maschinenhersteller klären, welche Schritte eine erfolgreiche Bauteilherstellung (Pre- bis Post-Prozess) erfordert und welche Bedingungen ein sicheres Arbeiten voraussetzt. So sollten beispielsweise die Aufstellbedingungen, also definierte Anforderungen an Temperatur, Luftfeuchte und Luftwechselrate, bekannt sein und im Vorfeld auf Umsetzbarkeit überprüft werden. Wartungs- und Reinigungsarbeiten sollten nutzerfreundlich und gefahrlos durchgeführt werden können. Werden UV-Strahler oder Laser (zum Beispiel Laser-Sintern) eingesetzt, so müssen diese ausreichend abgeschirmt sein. Sind für die Arbeit Gefahrstoffe (zum Beispiel Ausgangsmaterialien oder Reinigungslösungen) notwendig, müssen Lieferanten Sicherheitsdatenblätter in deutscher Sprache zur Verfügung stellen.

Stäube und Gefahrstoffe

Beim Umgang mit pulverförmigem Ausgangsmaterial müssen Betriebe darauf achten, dass staubarm gearbeitet und der allgemeine Staubgrenzwert eingehalten wird. Der Einsatz von geeigneten Saugern oder das Arbeiten mit Handschuhkästen („Glove-Box“) kann die Staubbelastung in der Arbeitsumgebung erheblich reduzieren.

Ist das Ausgangsmaterial als krebserzeugend eingestuft (zum Beispiel Cobalt) müssen weitergehende Maßnahmen getroffen werden (siehe unter anderem TRGS 910 und TRGS 560).

Auch infolge des Druckprozesses können sich unterschiedliche Gefahrstoffe (unter anderem leichtflüchtige Substanzen) bilden. Das sehr intensiv riechende Gas Ozon kann beim Einsatz von UV-Strahlern entstehen. Diese werden beim Poly-Jet Modelling-Verfahren genutzt, um Flüssigharze auszuhärten. Ozon wirkt schon in niedrigen Konzentrationen reizend auf Augen, Nase, Rachenraum und Lunge. Daher muss es an der Entstehungsstelle abgesaugt werden. Am wirksamsten erfassen lässt es sich bei einer geschlossenen Bauweise des 3D-Druckers.

Auch bei 3D-Druckverfahren, bei denen freigesetzte Gefahrstoffe bislang nicht nachgewiesen werden konnten, kommt es häufig zu unangenehmen Gerüchen. Aus dem Grund ist es empfehlenswert, generell 3D-Drucker außerhalb von Arbeitsbereichen, möglichst in separaten Räumen, aufzustellen.

Haben Betriebe alle Gefährdungen ermittelt, beurteilt und Schutzmaßnahmen festgelegt, müssen sie die Beschäftigten im sicheren Umgang mit dem 3D-Drucker regelmäßig unterweisen. Sowohl Gefährdungsbeurteilung als auch Unterweisung müssen dokumentiert werden. Diese Dokumentationen dienen als Basis, um den betrieblichen Arbeitsschutz nachvollziehbar und transparent zu kommunizieren.

Fertiges Objekt

Additive Verfahren bieten Anwendern einen enormen gestalterischen Spielraum, um Objekte in nahezu jeder Form entstehen zu lassen. Die additive Fertigung von Ersatzteilen für Maschinen oder Anlagen stellt dabei eine von vielen Möglichkeiten dar. Dabei muss jedoch beachtet werden, dass das Material des fertigen Objekts in der Regel andere Eigenschaften (zum Beispiel mechanische, thermische, elektrische, chemische) aufweist verglichen mit Ersatzeilen aus herkömmlichen Fertigungsverfahren. Aus diesem Grund müssen Anwender beim Herstellen von sicherheitsrelevanten Bauteilen mittels additiver Fertigungsverfahren ein besonderes Augenmerk darauf richten, dass die fertigen Produkte die notwendigen Materialeigenschaften mitbringen.

Valentin Kazda