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3D-Druck: So klappt der Einsatz von Schutzgasen

Damit der 3D-Druck die besten Ergebnisse liefert, ist eine Reihe von Faktoren zu beachten. Nicht nur das additive Verfahren selbst, sondern auch der Werkstoff und das Schutzgasgemisch können den gesamten Druckprozess enorm beeinflussen. Worauf ist da zu achten?

Durch die Wahl des optimalen Schutzgases lassen sich neben den anvisierten Qualitätszielen auch die Produktionskosten senken. Das heißt, eine mitunter deutlich erhöhe Prozess- und Druckgeschwindigkeit kann dazu beitragen, den Energie- und Gasverbrauch zu reduzieren. „Für das Pulverbettverfahren kommen je nach Werkstoff häufig Stickstoff, Argon oder Helium als Schutzgase zum Einsatz“, erklärt Dirk Kampffmeyer, Experte für Schweißen und Additive Fertigung bei Messer. „Helium verkürzt zwar die gesamte Druckzeit, ist aber deutlich teurer als Argon.“

Die Vor - und Nachteile von Argon, Stickstoff und Helium

Das inerte Gas Argon ist meist eine sehr beliebte Alternative, da es nicht nur durch niedrigere Preise, sondern auch durch vielseitige Einsatzmöglichkeiten überzeugt. Muss jedoch viel Energie im Spiel sein, ist Argon meist nicht mehr die erste Präferenz.

Dies rührt daher, dass zum Beispiel bei einem Spannungsabfall im Lichtbogen (Wire Arc Additive Manufacturing –WAAM) das Schutzgas Argon im Grunde ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Folge: Die Temperatur verläuft im Lichtbogen nicht mehr gleichmäßig. Im Vergleich dazu glänzt Helium mit einer deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit.

Da allerdings im Umkehrschluss die elektrische Leitfähigkeit des Heliums niedriger ist, wird für den Druckprozess eine höhere Lichtbogenspannung benötigt. Das wiederum bringt einen höheren Gasverbrauch mit sich. Betrachten man den Faktor Wirtschaftlichkeit, so fällt die Wahl meist auf Argon.

Stickstoff ist auf der Kostenseite das günstigste Gas, hat aber andererseits den Nachteil, dass es mit verschiedenen Werkstoffen reagiert. So kann Stickstoff beispielsweise mit Titan oder den klassischen ferritischen Baustählen nicht verwendet werden, da der Stahl nach ein paar Jahren spröde wird oder sogar auseinander fällt.

Schneller Aufbau, aber Temperaturen beachten

Bei dem additiven Verfahren des Pulverspritzens werden ebenfalls Trägergase verwendet. Während des Druckprozesses strömt über das Pulver ein Gas, das dadurch mitgerissen wird und auf diese Weise einen Pulverstrom beschreibt. Damit die jeweils gedruckte Lage eine angemessene Temperatur erhält und die Schmelze nicht wegläuft, müssen Kühlgase zugeführt werden.

Geschlaucht

Wenn beim Pulverbettverfahren das Schutzgas durch spezielle Schlauchmaterialien zum Bauteil strömt, kann es passieren, dass sie entweder nicht gut geeignet sind oder nicht richtig montiert wurden. Am Markt sind nicht alle Vorrichtungen mit einer einwandfreien und gleichbleibenden Qualität ausgestattet.

Dies hat zur Folge, dass sich die Gasqualität ebenfalls reduziert. So können Anwender schon alleine damit die Qualität der Gase verbessern, dass die Zuleitungen und Schlauchmaterialien regelmäßig überprüft und optimiert werden. Der Unterschied ist sogleich deutlich spürbar, da ein saubereres Gas in die Druckkammer einströmen kann.

Nicht selten vermindert sich die Qualität der Werkstoffe durch unsachgemäße Lagerung. Das Werkstoffpulver muss immer gut gelagert und von Feuchtigkeit und sonstigen Stoffen befreit werden. Dies gilt insbesondere bei kritischen Werkstoffen wie beispielsweise Aluminium.

Studien ergaben, dass sowohl das verwendete Gas zur Pulververdüsung als auch das Prozessgas beim Laserstrahlschmelzen selbst Einfluss auf die Gefügestruktur des Bauteils haben. Der Anwender muss daher stets darauf achten, die Gasversorgung während des Druckprozesses nicht zu unterbrechen. So können nämlich häufig Defekte an den Bauteilen entstehen. Die leidliche Konsequenz: Der Druckprozess muss neu gestartet werden.

Da manche Werkstoffe nach dem beendeten Druckvorgang ein undefiniertes Metallgefüge aufweisen, bedarf es einer Nachbearbeitung. Dies ist unter anderem bei Werkzeugstahl der Fall. Um ein gleichmäßiges Gefüge herzustellen, wird der Werkstoff erstmal zum Glühen gebracht und danach auslagert. So erhält er schließlich seine gleichmäßige Materialstruktur.

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