Prozessgase von Messer und ihre entscheidenden Auswirkungen auf die Additive Fertigung

Beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren schützt hochreines Argon das Metallpulver vor Oxidation und fördert eine gleichmäßige Schmelze, was zu einer dichten und fehlerfreien Mikrostruktur im fertigen Teil führt.

Dino Jankovic
Technischer Vertriebsspezialist für Industrielle Anwendungen bei Messer Austria GmbH

„Die Reinheit der Prozessgase ist das Herzstück perfekter 3D-Drucke und der Schlüssel zu herausragenden, zuverlässigen Bauteilen.“

In der Additiven Fertigung werden Prozessgase in verschiedenen Phasen eingesetzt, von der Vorbereitung des Druckprozesses bis hin zur Nachbereitung der gefertigten Teile. Die Auswahl und Reinheit dieser Gase sind entscheidend, da die physikalischen und chemischen Eigenschaften die Qualität des Endproduktes beeinflussen. Diese Gase werden in der Additiven Fertigung in unterschiedlichster Weise eingesetzt.

Hochreine Gase verhindern den Kontakt des zu verarbeitenden Materials mit Sauerstoff und anderen Verunreinigungen.

Schutzgase

Eine der häufigsten Anwendungen von Prozessgasen in der Additiven Fertigung ist der Einsatz von Schutzgasen. Gase wie Argon und Stickstoff werden verwendet, um die Materialien während des Druckprozesses vor Oxidation zu schützen. Besonders bei der Verarbeitung von Metallen ist dies sehr wichtig, da das Metallpulver in einer sauerstoffreichen Umgebung zur Oxidation neigt. Dadurch können die mechanischen Eigenschaften der gefertigten Teile erheblich beeinträchtigt werden.

Bei DED-Verfahren fungiert das Prozessgas nicht nur als Schutzgas, sondern sorgt bei pulverbasierten Prozessen auch für einen gleichmäßigen Pulvertransport zum Fokuspunkt der Energiequelle.

Reaktive Gase

Reaktive Gase fördern spezifische chemische Reaktionen und modifizieren die Mikrostruktur in der Additiven Fertigung, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften wie erhöhter Härte und Festigkeit führt. Sie helfen, Defekte wie Porosität zu reduzieren und die strukturelle Integrität der gefertigten Teile zu erhöhen.

Verfahren wie Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) profitieren besonders von der genauen Steuerung der Gasatmosphäre. Eine optimierte Nutzung reaktiver Gase kann zudem die ökologische Bilanz des Fertigungsprozesses verbessern.

Neben der Verwendung in der Additiven Fertigung an sich dienen Industriegase auch als Prozessgase für thermische Nachbearbeitung und zur Inertisierung von Materialkreisläufen.

Auswirkungen von verunreinigten Prozessgasen

Verunreinigungen im Prozessgas können die Qualität und Leistungsfähigkeit additiv gefertigter Bauteile erheblich beeinträchtigen. Selbst geringfügige Verunreinigungen wie Sauerstoff, Feuchtigkeit und Stickstoff können unerwünschte chemische Reaktionen hervorrufen, die die mechanischen Eigenschaften der Teile negativ beeinflussen.

Sauerstoff

Sauerstoffverunreinigungen im Prozessgas können zur Bildung von Oxiden im Schmelzbad führen, insbesondere bei reaktiven Metallen wie Titan und Aluminium. Diese Oxideinschlüsse sind hart und spröde, was die mechanische Festigkeit und Duktilität der gefertigten Teile erheblich reduziert. Schon geringe Mengen an Sauerstoff im Bereich von wenigen parts per million (ppm) können die Materialstruktur negativ beeinflussen und die Leistungsfähigkeit der Bauteile beeinträchtigen.

Feuchtigkeit

Feuchtigkeit im Prozessgas führt zur Freisetzung von Wasserstoff, der während des Schmelzprozesses in das Material eindringen kann. Dies führt zur Bildung von Poren und Rissen, insbesondere in Aluminium- und Titanlegierungen. Die resultierenden Hohlräume schwächen die strukturelle Integrität der Teile und erhöhen die Anfälligkeit für vorzeitiges Versagen unter Belastung.

Stickstoff

Stickstoffverunreinigungen können in einigen Legierungen zur Bildung von Nitriden führen. Diese Nitride sind oft spröde und beeinträchtigen die mechanischen Eigenschaften des Materials. Gerade bei hochlegierten Stählen und Nickelbasislegierungen kann Stickstoff die gewünschte Materialperformance erheblich verschlechtern, was zu einer verringerten Duktilität und erhöhten Bruchgefahr führt.

Effizienz durch geschlossenen Inertkreislauf

Ein geschlossener Inertkreislauf in der Additiven Fertigung gewährleistet eine konstante und reine Schutzgasatmosphäre, wodurch das Eindringen von Sauerstoff und Feuchtigkeit verhindert wird. Dies hält das Pulvermaterial rein, macht es wiederverwendbar, senkt die Kosten und erhöht die Effizienz des Prozesses. Darüber hinaus verringert dieser Kreislauf die Entstehung von Defekten wie Porosität und Rissen, was die mechanischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der gefertigten Teile steigert. Ein geschlossener Inertkreislauf trägt somit wesentlich zur Optimierung der Produktionsprozesse bei und gewährleistet die hohe Qualität der Endprodukte.

Gas und Gasgemisch: essenziell für perfekte 3D-Druckergebnisse

Um eine Oxidation und damit eine Verschlechterung der Materialqualität zu verhindern, werden Gase wie Stickstoff, Argon oder Helium unter hohem Druck zugeführt. Diese schützen und stabilisieren das Metall während des gesamten Druckprozesses.

Eine präzise Abstimmung der Gase und Gasgemische auf die jeweiligen Metalle und Legierungen ist dabei entscheidend für die Erzielung optimaler Druckergebnisse. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile der Nutzung spezifischer Prozessgase im 3D-Druck detailliert betrachtet.

Vorteile der Nutzung von hochreinem Argon oder Helium als Prozessgas

Hochreine Gase verhindern den Kontakt des zu verarbeitenden Materials mit Sauerstoff und anderen Verunreinigungen, die die Materialeigenschaften negativ beeinflussen könnten. Dies ist besonders wichtig bei der Verarbeitung von Metallen, die leicht oxidieren und sorgt so für eine minimale Verunreinigung.

Optimale Materialeigenschaften: Durch die Vermeidung von Oxidation und anderen chemischen Reaktionen während des Druckprozesses bleiben die mechanischen Eigenschaften des Materials erhalten. Dies führt zu einem hochwertigeren Endprodukt mit optimalen Materialeigenschaften.

Eine konstante und kontrollierte Gasatmosphäre gewährleistet gleichbleibende Druckbedingungen, was zu einem konsistenten Druckergebnis führt. Dies ist besonders wichtig für industrielle Anwendungen, bei denen die Qualität und Zuverlässigkeit der hergestellten Teile von entscheidender Bedeutung sind, die so eine stabile und kontrollierte Atmosphäre ermöglichen.

Beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren schützt hochreines Argon das Metallpulver vor Oxidation und fördert eine gleichmäßige Schmelze, was zu einer dichten und fehlerfreien Mikrostruktur im fertigen Teil führt.

Nachteile weniger geeigneter Gase im 3D-Druck

Der Einsatz weniger geeigneter Gase oder unzureichend reiner Gasmischungen kann erhebliche negative Auswirkungen auf den 3D-Druckprozess und die Qualität der Endprodukte haben.

Gase, die Sauerstoff oder andere reaktive Elemente enthalten, können dazu führen, dass das Material während des Druckprozesses oxidiert. Dies schwächt die mechanischen Eigenschaften des Materials und kann zu Rissen und Porosität führen.

Verunreinigungen im Gas können chemische Reaktionen mit dem Material auslösen, die die Mikrostruktur und die physikalischen Eigenschaften des fertigen Teils negativ beeinflussen und so zu einem inkonsistenten Druckergebnis führen.

Beim Direct Energy Deposition (DED)-Verfahren sorgt hochreines Argon für eine gleichmäßige Schmelze und schützt vor Oxidation. Weniger reines Schutzgas hingegen führt zu ungleichmäßiger Schmelze und inhomogener Mikrostruktur, was die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt und die Langlebigkeit der Komponenten verringert.

Prozessgase in der thermischen Nachbehandlung

Nicht nur bei der eigentlichen Additiven Fertigung haben Prozessgase Einfluss auf das Ergebnis. Auch in der thermischen Nachbearbeitung von AM-Teilen kommen Prozessgase zum Einsatz. Sei es beim Entbindern von Grünteilen aus dem Binderjetting und deren nachträglichem Sintern oder auch bei HIP-Anwendungen oder Prozessen wie Spannungsarmglühen oder Lösungsglühen. Je nach Anwendung werden Prozessgase benötigt, die entweder die Anwendung inertisieren, wie das beispielweise auch beim Entpulvern von Titanteilen erforderlich ist, oder aber gewünschte Oberflächenreaktionen erzeugen. Speziell in pulverbasierten Systemen werden oft ganze Prozessketten unter Inertatmosphäre abgewickelt, um sowohl die Qualität bei den Bauteilen sicherzustellen als auch das Restpulver möglichst wiederverwertbar zu erhalten.

Fazit

Prozessgase spielen eine zentrale Rolle in der Additiven Fertigung und haben einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der hergestellten Teile. Ihre Reinheit und richtige Auswahl sind entscheidend, um optimale Druckergebnisse zu erzielen und die mechanischen Eigenschaften der Produkte zu gewährleisten.

Messer auf der Formnext: Halle 12.0, Stand A115