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3D-Druck: welches Gas für welchen Zweck?

Ohne sie geht es nicht: Bei additiven Verfahren werden Gase in verschiedenen Bereichen der Produktionskette verwendet. Wobei die Auswahl des richtigen Gases vom Werkstoff, den Verfahren und Qualitätsanforderungen abhängt.

Zu den bekanntesten 3D-Druck-Verfahren gehört ganz klar das Laserstrahlschmelzen. Es kommt etwa bei der Fertigung metallischer Bauteile aus Edelstahl, Titan-, Aluminium-, Kobalt-Chrom- und Nickelbasislegierungen zur Anwendung.

Der 3D-Druckprozess erfolgt unter einer inerten Schutzgasatmosphäre. Meist kommen – je nach Werkstoff – Schutzgase wie Argon oder Stickstoff zum Einsatz. Durch Verdrängung der Luftgase schützen sie die Werkstoffe und verhindern zum Beispiel den Oxidationsvorgang.

„Trägergase werden vor allem beim Pulverspritzen eingesetzt, erklärt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigungsverfahren bei Messer. „Bei diesem Verfahren entsteht ein Pulverstrom, indem das Pulver über das Gas strömt und es mitreißt. Wobei die Druckköpfe für die jeweiligen Gase optimiert sind.“

Darüber hinaus können durch den Gasstrom auch Schmelzpartikel und Schmauchspuren abtransportiert und beseitigt werden. Auf diese Weise lässt sich auch die Bauteilkammer vor Schmutzanhaftungen schützen.

Schutzgase bestimmen den Prozess

Welches Schutzgas verwendet wird, hängt im Wesentlichen von dem additiven Verfahren, dem Werkstoff und den jeweiligen Anforderungen an die Qualität ab. Zum Beispiel wird bei Titanlegierungen in der Regel Argon eingesetzt. Bei anderen Werkstoffen kann alternativ auch Stickstoff eingesetzt werden. Studien konnten die These erhärten, dass sowohl das verwendete Gas zur Pulververdüsung wie auch das Prozessgas beim Laserstrahlschmelzen selbst Einfluss auf die Gefügestruktur des Bauteils aufweisen.

„Für das Pulverbett-Verfahren werden je nach Werkstoff häufig Stickstoff, Aragon und Helium eingesetzt“, so Kampffmeyer. „Das sind Schutzgase, die nicht mit dem Bauteil reagieren. Welches Prozessgas sich nun für die entsprechende Anwendung qualifiziert, wird letztlich durch die speziellen Anforderungen an die Qualität bestimmt.“

Treten Unterbrechungen bei der Gasversorgung während des Druckprozesses auf, muss der Betreiber mit Defekten an den Bauteilen rechnen. Der Baujob muss neu gestartet werden. Dies hat zur Folge, dass für eine zuverlässige Bauteilfertigung in der additiven Fertigung eine unterbrechungsfreie Gasversorgung stets gewährleistet sein muss.

Welches Gas ist wirtschaftlicher?

Bei der Auswahl des idealen Schutzgases für den 3D-Druck sind natürlich auch ökonomische Kriterien relevant. „Helium ist sehr viel kostenintensiver als Argon“, so Kampffmeyer.

Es gibt aber auch ein Andererseits: „Helium besticht aber dadurch, dass man damit etwas schneller drucken kann. Trotzdem geht die Kosten-Nutzenrechnung immer zu Lasten des Heliums, denn bei dieser Betrachtung schneidet Argon immer besser ab. Aus der Perspektive der Kosten ist der Stickstoff das günstigste Gas. Es hat aber den Nachteil, dass es mit verschiedenen Werkstoffen reagiert.“

Ist ein Werkzeugstahl-Bauteil einmal gedruckt, so entsteht meist ein Metallgefüge, das nachbehandelt werden muss. Damit sich ein gewünscht gleichmäßiges Gefüge einstellt, muss das Bauteil zu diesem Zweck wärmebehandelt werden. Dies geschieht durch ein typisches Spannungsarmglühen, bei dem idealerweise das Schutzgas Argon verwendet wird.

Argon oder Stickstoff?

Eine Studie der Auburn University in Alabama hat den Unterschied zwischen Argon und Stickstoff als Schutzgase beim Laserpulverbettschmelz-Verfahren von Edelstahl untersucht. Besonders interessierte die Forscher die Optimierung der mechanischen Eigenschaften von AM-Teilen, indem verschiedene Prozessparameter, Scanstrategien und Aufbauorientierungseffekte beobachtet wurden. Wobei das Schutzgas nicht nur die thermophysikalischen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften der gefertigten Teile beeinflussen sollte.

Die Studie kam zu dem Ergebnis, dass Stickstoff das Bauteil schneller abkühlt als Argon, was mit der Wärmeleitfähigkeit des Gases zusammenhängt. Bei Argon ist diese Reaktion nicht so ausgeprägt. Dafür ist der Energieeinsatz für Argon geringer, weil es eine isolierendere Wirkung als Stickstoff aufweist.

Unter Stickstoff werden die Bauteile härter, was den feineren Strukturen aufgrund der höheren Abkühlrate geschuldet ist. Verglichen mit Argon zeigt Stickstoff eine etwas erhöhte Zugfestigkeit der Bauteile.

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