Metall-3D-Druck: Trockenabscheidung von Ruwac in der Praxis

Die Trocken-Vorabscheidung ermöglicht den Verzicht auf das manuelle Entpulvern beim Selektiven Laserschmelzen. (Bilder: Ruwac/ Marco Prosch)

Aus Sicht der Materialbilanz und der Effizienz besteht beim Metall-3D-Druck, so wie er aktuell praktiziert wird, noch Verbesserungspotenzial. Zunächst wird die Baukammer manuell in einem Überlauf bzw. Ablauf grob entpulvert – das ist aufwändig und verlängert die Zeitspanne bis zum nächsten Druckvorgang. Dann wird die Baukammer mit einem Sauger vollständig vom Pulver befreit. Dieser Pulveranteil lässt sich jedoch nicht wiederverwenden, weil hier Sauger zum Einsatz kommen, die das reaktive Pulver in einer Flüssigkeit inertisieren. Dabei werden die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Pulvers unter Umständen so verändert, dass es auch nach einem Trocknungsvorgang nicht mehr als Ausgangsmaterial für die Additive Fertigung geeignet ist.

Das vorabgeschiedene Material wird trocken gesammelt.

Ziel: Trockenabscheidung beim SLM-Prozess

Wie lässt sich dieser Prozess so verändern, damit das (teure) Pulver wiederverwendet werden kann? Diese Frage war der Startpunkt eines Entwicklungsprojektes bei Ruwac. Nassabscheider von Ruwac sind im Metall-3D-Druck weit verbreitet, weil namhafte Hersteller von Anlagen für das Selektive Laserschmelzen sie fest ins Zubehörprogramm aufgenommen haben. Mit ihnen reinigt der Anwender die Baukammer nach dem manuellen Entpulvern.

Im Grundsatz ist die ursprüngliche Frage einfach zu beantworten: Wenn es gelingt, das Pulver ohne Benetzung bzw. ohne die Inertisierung im Flüssigkeitsbad abzuscheiden, könnte man es wiederverwenden.

Im Anschluss kann das Material gesiebt und der Wiederverwertung zugeführt werden.

Lösung: Vorabscheidung mit Hochgeschwindigkeits-Zyklon

Diese Idee haben die Ruwac-Konstrukteure des Kompetenzzentrums „Additive Fertigung“ in die Praxis umgesetzt. Abgesaugt wird nach wie vor mit den Nassabscheidern der NA-Baureihe, denen jetzt aber ein speziell für diese Aufgabe entwickelter Trocken-Vorabscheider vorgeschaltet wird, der das Verfahren eines Hochgeschwindigkeits-Zyklons nutzt. In ihm wird schon der Großteil des abgesaugten Pulvers abgeschieden und kann dann – nach dem Sieben – zu 100 % wiederverwendet werden.

Ein Zyklon als Vorabscheider ist nicht neu. Hier aber musste er so modifiziert werden, dass die Reaktivität des Pulvers nicht zu unkontrollierten Reaktionen im Zyklon führt. Dies gelang den Ruwac-Konstrukteuren durch verschiedene konstruktive Maßnahmen, u.a. durch einen zuverlässigen Potentialausgleich aller Komponenten des Vorabscheiders.

Der Test bei Rapidobject beweist: Mit dem neuen Trocken-Vorabscheider R26 (rechts) lassen sich mehr als 90 % des Metallpulvers wiederverwenden.

Erfolgreiche „Arbeitsteilung“ der beiden Abscheider

Die ersten Praxistests im Ruwac-Entwicklungszentrum haben gezeigt: Unter Laborbedingungen werden mehr als 98 % des aus dem Arbeitsraum abgesaugten Pulvers durch den Zyklon trocken abgeschieden. Der Anwender muss sie nur noch sieben und kann sie dann für die Produktion von neuen Bauteilen weiterverwenden. Die restlichen Anteile werden im nachgeschalteten Nassabscheider inertisiert und anschließend entsorgt.

Die Kunststoffhalterung für den Füllstandsensor im neuen Trocken-Vorabscheider wird im 3D-Druck bei Rapidobject gefertigt.

Vom „Beta-Tester“ zum überzeugten Anwender: Rapidobject in Leipzig

Diese neue Art der (Vor-)Abscheidung für den Metall-3D-Druck zeigte Ruwac erstmals Ende 2024 auf der Messe Formnext. Dort lernte auch Markus Prokscha, Projektingenieur Metalldruck bei der Rapidobject GmbH in Leipzig, das Verfahren kennen. Die darauffolgenden Gespräche mit Ruwac führten dazu, dass sich Rapidobject – ähnlich wie ein „Beta-Tester“ in der IT-Industrie – zu einem unverbindlichen Praxistest des Verfahrens bereit erklärte.

Das Unternehmen, bereits 2006 gegründet, gilt bundesweit als etablierter Spezialist für additive Fertigungsverfahren mit Kunststoffen und Metallen. Rapidobject fertigt sowohl Einzelteile als auch kleine bis mittlere Serien und nutzt dabei diverse Verfahren wie SLM, SLS, MJF und weitere. Mehr als 20.000 Kunden u.a. aus der Elektro- und Automobilindustrie, dem Maschinenbau, der Luftfahrtindustrie und der Medizintechnik haben schon Bauteile von Rapidobject bezogen.

Auch der Stecker für den Potentialausgleich stammt von Rapidobject.

Ergebnisse: Mehr als 99 % des Pulvers kann wiederverwendet werden

Markus Prokscha führt aus: „Ruwac ist uns als Hersteller von Nassabscheidern für den 3D-Druck bekannt. Das Konzept schien schlüssig, aber wir wollten – bei einem völlig neuen Konzept – auf Nummer sicher gehen. Deshalb haben wir zunächst einen Test vereinbart.“

Ruwac installierte einen der ersten Trocken-Vorabscheider vom Typ R26 in Kombination mit einem Nassabscheider NA35. Die Anlagen wurden an eine SLM-Anlage angeschlossen – mit welchem Ergebnis? Markus Prokscha erklärt: „Wir haben Messungen unter Praxisbedingungen durchgeführt. Unabhängig davon, ob wir besonders vorsichtig, mit normaler Geschwindigkeit oder besonders schnell abgesaugt haben, konnten wir mehr als 99,9 % des Metallpulvers im Trocken-Vorabscheider zurückhalten und wiederverwenden. Damit wurden unsere Erwartungen weit übertroffen, und das Gerät ist eine der wirtschaftlichsten Anschaffungen im Unternehmen.“

Kosten, Zeit, Nachhaltigkeit: Hoher Nutzen in mehrfacher Hinsicht

Angesichts der Kosten des Metallpulvers ergibt sich – das zeigen die Versuche bei Ruwac und auch der Test bei Rapidobject – ein großer finanzieller Nutzen. Aber es gibt noch weitere Vorteile. Markus Prokscha kommentiert: „Wir können auf das manuelle Entpulvern verzichten und stattdessen direkt absaugen, weil der Großteil des abgesaugten Pulvers ja wieder zur Verfügung steht. Das spart Zeit und der Drucker ist schneller wieder betriebsbereit.“ Auch das Handling des Trocken-Vorabscheiders konnte überzeugen: Die Entnahme der Behälter und ihre Entleerung ist einfach, der Füllstand wird am Gerät angezeigt.

3D-Druck-Bauteile im Trocken-Vorabscheider

Hier kommt sogar Rapidobject auf einer zweiten Ebene ins Spiel. Markus Prokscha erklärt: „Wir produzieren für Ruwac diverse Bauteile im Kunststoff-3D-Druck, unter anderem die Halterung für den Füllstandsensor im Trocken-Vorabscheider und den Stecker für den Potentialausgleich sowie einige nicht sichtbare Komponenten wie Kabelführungen, Halterungen und Gewindeaufnahmen.“ Damit gehört Ruwac zum großen Kundenstamm von Rapidobject. Und die Kombination von Trocken-Vorabscheider und Nassabscheider hat jetzt ihren Platz im Metall-3D-Druck von Rapidobject gefunden. Sie wird auch für die Entpulverung der neuen, großen SLM-Anlage eingesetzt werden.

Fazit: Geringere Kosten, verminderter Zeitaufwand

Unabhängig von dem ersten Test des R26 bei Rapidobject sieht Ruwac auch großes Interesse in der gesamten Branche an der neuen Lösung: Die Trocken-Vorabscheidung verringert die (Pulver-)Kosten beim SLM deutlich, sie steigert die Nachhaltigkeit des Prozesses und spart aus Anwendersicht Zeit beim Entpulvern. Das verbessert die Produktivität der Anlage. Somit kann der Anwender echte Wettbewerbsvorteile nutzen – ohne Nachteile. Ein weiterer Vorteil: Der R26 kann einfach installiert und mit vorhandenen Nassabscheidern kombiniert werden.