Gerade der Markt für 3-D-Druck ist in einem sehr rasanten Wachstum begriffen. Immer mehr Anwendungen im Bereich Automobil, Flugzeugbau, Werkzeugbau und Prototypenbau basieren auf dem AM-Verfahren („Additive Manufacturing“). Die additive Fertigung erlaubt es, komplexe Formen mit definierten Eigenschaften herzustellen, die vorher so gar nicht möglich oder nur über das Zusammenfügen mehrerer Teile herstellbar waren.
Bei den heute aktuellen AM-Verfahren wie SLM (Selective Laser Melting) wird das Metallpulver in einer 20 bis 100 µm dicken Schicht aufgetragen. Danach schmilzt ein Laser an den Stellen, an dem das Werkstück entstehen soll, das Metallpulver auf, sodass die Metallteilchen verschmelzen. Darauf wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und der Vorgang beginnt von neuem. Dieser Zyklus wird solange durchgeführt bis das Werkstück fertiggestellt ist. Fertigungszeiten können von 2 bis 24 Stunden betragen, wodurch der Einsatz in der Serienfertigung noch begrenzt ist.
Metallpulver, eingesetzt für solch qualitativ hochwertige Anwendungen im Bereich des „Additive Manufacturings“, werden auf unterschiedliche Weise durch Gas-, Wasser- oder Plasma-Zerstäubung hergestellt. Nachteil dieser Verfahren ist, dass keine exakte und sehr enge Korngrößenverteilung erzielt wird, wie für den AM-Prozess gefordert. Daher wird nach der Zerstäubung eine Sichtung durchgeführt, um ein Produkt mit steiler Partikelgrößenverteilung zu erhalten, das auf die speziellen Anforderungen der Endanwendung zugeschnitten ist.
Die Lösung
Um eine gute Qualität des 3-D-gedruckten Produktes zu erzielen, ist es wichtig, dass die eingesetzten Pulver in einem engen Kornspektrum vorliegen. Die Trenntechnik spielt daher eine entscheidende Rolle, denn im Feinheitsbereich von beispielsweise 20 bis 60 µm kommen Siebmaschinen an ihre Einsatzgrenze, was sich durch geringen Durchsatz und häufiges Zusetzen der Siebe zeigt. Eine Alternative bietet Netzsch mit dem Hochleistungsfeinstsichter der Baureihe CFS/HD-S (Bild 1), der mit seiner Trennschärfe und seiner sehr gezielten Produktführung ein Höchstmaß an Effizienz darstellt. Eine Vermischung von ausgesichtetem Grobgut und Aufgabegut innerhalb des Sichters ist praktisch ausgeschlossen.
Prinzip der Sichtung
Ein Windsichter nutzt die aerodynamischen Unterschiede von Partikeln in einer zweiphasigen Strömung (Gas und Feststoff), um sie nach ihrer Sinkgeschwindigkeit zu trennen. Damit erhält man zwei Fraktionen, eine aus groben und eine aus feinen Partikeln. Sowohl die Materialparameter (Kornform, Korngröße, Dichte …) als auch die Betriebsparameter (Drehzahl, Volumenstrom …), mit denen der Windsichter betrieben wird, beeinflussen das Trennergebnis.
Das Grundprinzip der unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeit geht auf ein Kräftegleichgewicht von zwei Kräften zurück. Es gibt zum einen die Schleppkraft in Richtung der feinen Fraktion und zum anderen die abweisende Kraft in Richtung der groben Fraktion. Die Schleppkraft geht auf den Einfluss des strömenden Gases zurück und wird durch den dynamischen Druck (aufgrund der Relativgeschwindigkeit), den cW-Wert (Widerstandsbeiwert) und die Partikelfläche im Strom beeinflusst. Die abweisende Kraft geht auf die Beschleunigung der Teilchen durch das Sichtrad in Richtung der groben Fraktion zurück. Hier haben die Partikeldichte und das Feststoffvolumen Einfluss. Man unterscheidet Sichter nach der aktiven Abweisekraft in Richtung der groben Fraktion. Zum einen kann man lediglich das Erdschwerefeld, zum anderen einen durch die Gehäusegeometrie erzeugten Wirbel nutzen, um eine Beschleunigung zu generieren. In diesem Fall spricht man von statischen Sichtern. Netzsch nutzt in seinen Maschinen ein dynamisches Sichtrad, um der Strömung aktiv einen Wirbel aufzuzwingen, der eine Beschleunigung erzeugt. In diesem Fall spricht man von dynamischen Windsichtern. Der Vorteil von dynamischen Sichtern ist die Variabilität der Drehzahl, mit der ein großes Spektrum an Fliehkräften erzeugt und im Zusammenspiel mit den Schleppkräften des Volumenstroms ein großer Trennbereich eingestellt werden kann. Des Weiteren wird durch die hohe Geschwindigkeit einer engen Wirbelströmung eine hohe Abweisekraft erzeugt, die im Kräftegleichgewicht zu einer effektiven und feinen Trenngrenze führt.
Wenn es um superfeine Trenngrenzen geht, wird der Netzsch-Hochleistungsfeinstsichter CFS/HD-S für die Feinstklassierung, z. B. zur Entfernung von nicht erwünschtem Feinstanteil (Entstauben) oder Oberkorn, eingesetzt. Bild 2 zeigt die Funktionsweise des Sichters: Das Produkt wird über einen Stutzen von oben der Maschine zugeführt (1). Über einen zweiten Stutzen wird die notwendige Verfahrensluft aufgegeben (2), die beim Durchströmen eines statischen Leitschaufelkorbes (4) das Aufgabegut extrem fein vordispergiert und dem Sichtrad (3) zuführt. Das Feingut verlässt den Sichtraum im Zentrum des Sichters. Grobpartikel werden vom Sichtrad abgewiesen und durch das schraubenförmig ausgebildete Maschinengehäuse (7), das den Produktfluss optimiert, auf der Rückseite nach unten ausgetragen (6). Über die Stellung der sogenannten Grobgutklappe (5) kann der Austrag des Grobgutes bei schwierigen Trennaufgaben geregelt werden. Ein weiteres konstruktives Merkmal, das in Nnetzsch-Sichtern und -Mühlen Anwendung findet, ist das in den Sichterrädern eingebaute mitrotierende Tauchrohr zur wirksamen Vermeidung von Spritzkorn.
Entstauben von Edelstahlpulver
Die scharfe Trennung bei der Entstaubung, die der Netzsch-Hochleistungsfeinstsichter CFS/HD-S bietet, wird bei der Herstellung von Metallpulvern für technisch anspruchsvolle Anwendungen demonstriert. Das Edelstahlpulver, das im Aufgabegut einen Feinanteil von 5 % kleiner 11 µm aufwies, sollte bei diesem Projekt mit der Reduktion des Feinanteils auf 5 % kleiner 15 µm veredelt werden.
Der Versuch wurde mit einem Laborsichter CFS 8 HD-S (ca. 80 Nm³/h Luft) durchgeführt. Aufgrund der hohen Schüttdichte des Edelstahlpulvers von 4,5 kg/l war eine niedrige Sichterdrehzahl (ca. 17 % der maximalen Drehzahl) erforderlich. Die Abtrennung des Feinanteils erfolgt schnell und betriebssicher und im Endprodukt lag der 5-%-Anteil des entstaubten Produktes bei einer Korngröße von über 21 µm, womit die Vorgabe von 15 µm um ca. 25 % übertroffen wurde (Bilder 3 und 4). Das nächste wichtige Kriterium für die Erfolgsbewertung einer Entstaubung ist die Ausbeute, da häufig der abgetrennte Staub nicht in der eigentlichen Anwendung verwendet wird. Die Ausbeute lag in diesem Versuch bei eindrucksvollen 98,7 %, was einen Produktverlust von lediglich 1,3 % bedeutet.
Außerdem war wichtig, schnell von einem Produkt auf ein anderes zu wechseln, da die Edelstahlpulver unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Daher war die einfache Zugänglichkeit und Reinigung der Netzsch-Sichteranlage ein weiteres wichtiges Kriterium, was durch die aufschwenkbare Gehäusetür und den herausnehmbaren Leitschaufelkorb gewährleistet ist.
Mit diesen im Netzsch-Technikum erzielten Ergebnissen wurde eine Produktionsanlage mit einem deutlich größeren Sichter ausgelegt. Das Novum am Gesamtkonzept der Sichteranlage ist, dass die Sichterluft im Kreis gefahren und der Feinstaub nahezu komplett über einen Zyklon abgeschieden wird! Ein Filter ist nicht notwendig. Ermöglicht wird dies durch die hohe Dichte des Produkts. Dadurch ist es nach einem Produktwechsel und geringem Reinigungsaufwand möglich, den Staub sortenrein zu sammeln und für andere Anwendungen zu nutzen. Mit diesem Anlagenkonzept können Metallpulver für die additive Fertigung ab Mengen von 100 kg zuverlässig entstaubt und gleichzeitig eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet werden. Somit kann der Pulverhersteller jederzeit flexibel auf Kundenanforderungen reagieren.
Entstauben von Kunststoffpulver
Auch für die Entstaubung von Kunststoffpulvern kann der Hochleistungsfeinstsichter zuverlässig verwendet werden. Ein grundlegender Unterschied im Vergleich zu Metallpulvern ist in solchen Anwendungen die Dichte des Kunststoffes. In dem hier vorgestellten Anwendungsfall betrug die Schüttdichte lediglich ca. 500 g/l und zusätzlich ist das Produkt deutlich gröber.
Die Aufgabenstellung ist erneut eine Reduzierung des störenden Feinanteils. Hier sollte der Anteil der Partikel, die kleiner sind als 30 µm, auf ein Mindestmaß reduziert werden. Zu Beginn des Versuchs lag dieser Anteil bei 5 %. In Verbindung mit einer möglichst hohen Ausbeute von über 90 % war dies eine herausfordernde Aufgabenstellung. Ein Versuch im Netzsch-Technikum wurde direkt im Produktionsmaßstab mit einem Sichter CFS 85 HD-S (ca. 850 Nm³/h) durchgeführt. Aufgrund der geringeren Dichte des Kunststoffpulvers wurde mit ca. 30 % der maximalen Drehzahl gearbeitet. Das Resultat erfüllte alle geforderten Anforderungen. Der Feinanteil der 30 µm Partikel im Grobgut wurde auf 0,4 % reduziert und die Ausbeute lag bei 93,5 %. Diese hohe Ausbeute bedeutet, dass neben dem unerwünschten 4,6 % Feinanteil lediglich 1,9 % Gutprodukt als Überschneidung an der Trenngrenze abgeschieden wurden.
Suchwort: cav0318netzsch
Autor: Christian Höfels
Entwicklung Verfahrenstechnik,
Netzsch Trockenmahltechnik
Autor: Dr. Stefan Jung
Marketingleiter,
Netzsch Trockenmahltechnik
