Additive-FertigungHosokawa CW 250 II: Polymerpulverherstellung für die Additive Fertigung
Die Additive Fertigung von Bauteilen aus Metall oder Polymeren rückt für viele Industriebereiche immer mehr in den Fokus. Ein wichtiges Verfahren für den 3D-Druck von Polymeren stellt das Selective Laser Sintering (SLS) dar. Dabei werden feine Polymerpulver im Pulverbett mittels Laser zu dreidimensionalen Körpern gesintert. Dieses Druckverfahren erfordert jedoch Polymerpulver mit einer Partikelgröße von etwa d90 = 100 µm. Die Herstellung solch feiner Pulver erfolgt durch kryogene Zerkleinerung. Von Dr. Ergün Altin und Dr. Steffen Sander, Hosokawa Alpine Aktiengesellschaft
Die Herstellung feiner Poymerpulver erfolgt durch kryogene Zerkleinerung in der Contraplex Weitkammermühle CW 250 II.
Bei diesem Verfahren werden Polymergranulate durch flüssigen Stickstoff (LN2) versprödet und in einer Stiftmühle zerkleinert. Der spezifische Verbrauch an Flüssigstickstoff stellt einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Die Hosokawa Alpine AG bietet verschiedene Lösungen an, diesen zu senken. Mit einem effizienten Mühle-Klassierer-Kreislauf können außerdem die Produktanforderungen sichergestellt und die Betriebskosten minimiert werden.
Untersuchungen zur Optimierung des Produktabwurfes durch konstruktive Maßnahmen am Wirbelschneckenkühler wurden mit DEM Simulationen gestützt durchgeführt. Der größte Effekt bezüglich einer Vergleichmäßigung wurde durch die Überarbeitung der Schneckengeometrie am Austritt des WSK erreicht.
Die richtige Maschine für die kryogene Zerkleinerung
Bei der kryogenen Zerkleinerung muss das Aufgabematerial zunächst versprödet werden. Dazu wird es in einem Wirbelschneckenkühler (WSK) mittels Zugabe von LN2 auf eine Temperatur von ungefähr -190 Grad gekühlt. Die Verweilzeit im WSK wird so gewählt, dass die Granulatpartikel diese Temperatur bis in ihren Kern annehmen. Im Anschluss an die Versprödung erfolgt die Zerkleinerung in einer Stiftmühle. Dafür eignet sich die Hosokawa Alpine Contraplex Weitkammermühle CW 250 II. Die CW-II-Baureihe wurde einem weitgehenden Re-Design unterworfen, das insbesondere auf die Erfordernisse der kryogenen Zerkleinerung schwieriger Aufgabegüter gerichtet war. In der Mühle arbeiten zwei gegenläufig rotierende Stiftscheiben mit Umfangsgeschwindigkeiten am äußeren Schlagkreis von bis zu je 120 m/s. Damit können Relativgeschwindigkeiten von bis zu 240 m/s realisiert werden. Um den durch die Zerkleinerung hervorgerufenen Energieeintrag zu kompensieren, kann im Einlaufbereich der Mühle Flüssigstickstoff zur weiteren Kühlung eingedüst werden.
Einfluss der Stiftanzahl auf Feinanteil und Feingut-Durchsatz: Durch eine Reduzierung der Anzahl sinkt die Leerlaufleistung, und somit kann ein höherer AG-Durchsatz aufgegeben werden.
Überarbeitete Schneckengeometrie gewährleistet effiziente AG-Dosierung
Die Kaltmahlung ist hinsichtlich der spezifischen Betriebskosten am effizientesten, wenn die Mühle mit einem maximalen Aufgabegut-Durchsatz (AG-Durchsatz) bis zum Erreichen der Nennleistung des Mühlenantriebes beaufschlagt wird. Eine Vergleichmäßigung des Produktaustrages aus dem WSK hilft, Leistungs- bzw. Stromspitzen zu vermeiden. Die AG-Dosierung kann für höhere Durchsätze angepasst werden, ohne Gefahr zu laufen, dass zu hohe Schwankungen des AG-Durchsatzes zu unerwünschten Stromspitzen und in ungünstigsten Fällen zu einem Produktionsstopp führen. Der größte Effekt bezüglich einer Vergleichmäßigung wurde durch die Überarbeitung der Schneckengeometrie am Austritt des WSK erreicht.
Am Beispiel PA-6 ergibt sich ein optimaler Betriebspunkt der CW 250 II, in der der erzeugte Feinanteil < 100 μm bei etwa 65 Prozent liegt.
Anpassungen an den Stiftscheiben
Eine weitere Optimierung der Betriebskosten erfolgt durch eine Abstimmung der Kaltmahlung mit der Siebung bzw. Sichtung. Dazu wird das Setup der Stiftscheiben angepasst und die Mühle unter Volllast betrieben. Zu den Anpassungen zählen etwa Änderungen in der Anzahl und Dimensionen der Prallstifte. Durch eine Reduzierung der Stiftanzahl sinkt die Leerlaufleistung, und somit kann ein höherer AG-Durchsatz aufgegeben werden. Durch die niedrigere Beanspruchungshäufigkeit stellt sich im Vergleich eine etwas gröbere Partikelgröße ein. Dennoch wird ein höherer Durchsatz an Feingut kleiner 100 µm erzielt. Bezogen auf die reine Kaltmahlung mit der CW 250 II reduzieren sich bei höheren AG-Durchsätzen zudem die spezifischen Betriebskosten.
Für das relativ gut mahlbare PA-6 kann die Einstellung der Feinheit in der Mühle in einem großen Bereich eingestellt werden, so dass sich ein Optimum der Betriebskosten erzielen lässt. Für schlechter mahlbare TPU-Sorten konnte kein derartiges Optimum beobachtet werden.
Intelligentes Anlagenkonzept reduziert Betriebskosten
Polymerpulver mit der Zielspezifikation d90 = 100 µm sind oft nur durch eine nachgelagerte Klassierung mit einem Sieb oder Windsichter bzw. in einem Kreislauf beider Prozesse herstellbar. Durch ein intelligentes Anlagenkonzept bei einem Kreislaufprozess kann der bei der kryogenen Zerkleinerung verdampfte Flüssigstickstoff unmittelbar als Kreisgas für die Klassierung genutzt werden. Das im Kreis geführte Stickstoffgas ist frei von Feuchtigkeit, welche an den Partikeloberflächen kondensieren könnte. Es sorgt so dafür, dass keine zusätzliche Konditionierung des Gases für die Klassierung notwendig ist. Bei gleichbleibender Trennschärfe des Klassierers ist der Durchsatz des Endproduktes umso höher, je feiner das Material ist. Durch den besseren Feingutauszug muss entsprechend weniger Grobgut in den Mahlprozess zurückgeführt werden. Die niedrigere Umlaufmenge wirkt sich daher positiv auf die Gesamtbetriebskosten aus. Die Versuche haben gezeigt, dass es ein Optimum in der Pulverfeinheit gibt, in der die spezifischen Betriebskosten für die Herstellung von Polymerpulvern mit der Feinheit d90 = 100 µm ein Minimum aufweisen. Für das untersuchte PA-6 ergibt sich dabei ein optimaler Betriebspunkt der CW 250 II, in der der erzeugte Feinanteil < 100 µm bei etwa 65 Prozent liegt.
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