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Entstauben von Metallpulver mit Hochleistungsfeinstsichter

Extrem hohe Trennschärfe
Entstauben von Metallpulver mit Hochleistungsfeinstsichter

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 100 μm kommen Siebmaschinen an ihre Einsatzgrenze. Eine Alternative ist der Hochleistungsfeinstsichter der Baureihe CFS/HD-S, der sich durch eine besonders hohe Trennschärfe auszeichnet und sich ideal für die Entstaubung von Metallpulvern eignet.

Verschiedene Produkte sind aufgrund ihrer Kornverteilung nach einem Herstellungs- oder Mahlprozess für die weitere Verwendung noch nicht einsetzbar. Die nachträgliche Behandlung zur Herstellung einer exakten Korngrößenfraktion ist notwendig, um die gewünschten Eigenschaften des Produktes zu optimieren oder überhaupt erst zu erhalten. Eine Klassierung in Korngrößenbereichen 100 μm wird üblicherweise mit Siebmaschinen erzielt. Bei gewünschten Partikeltrennungen im Bereich 100 μm ist der Einsatz von Windsichtern für eine kontrollierte Trennung häufig unumgänglich. Sowohl die Abtrennung von unerwünschtem Grobkorn als auch die deutliche Reduzierung von Feingut (Entstaubung) sind gleichermaßen typische Aufgabenstellungen für Windsichter.

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: die Schleppkraft in Richtung der feinen Fraktion und 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.

Entstauben von Edelstahlpulver

Die scharfe Trennung bei der Entstaubung, die der Hochleistungsfeinstsichter CFS/HD-S bietet, wird bei der Herstellung von Metallpulvern für technisch anspruchsvolle Anwendungen wie beispielsweise im 3-D-Druck demonstriert. Das Edelstahlpulver, das im Aufgabegut einen Feinanteil von 5 % kleiner 11 µm aufwies, sollte 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 deutlich übertroffen wurde. Das nächste wichtige Kriterium für die Erfolgsbewertung einer Entstaubung ist die sog. Ausbeute, also der Anteil an gewonnenem Endprodukt ohne den abgetrennten Staub oder Feinanteil. Die Ausbeute lag in diesem Versuch bei 98,7 %, was einen Produktverlust von lediglich 1,3 % bedeutet.

Einfache Zugänglichkeit und Reinigung sind wichtige Kriterien, wenn mehrere Edelstahlpulver mit unterschiedlicher Zusammensetzung verarbeitet werden. Dies gewährleistet die Netzsch-Sichteranlage durch die aufschwenkbare Gehäusetür und den herausnehmbaren Leitschaufelkorb und macht schnelle Produktwechsel möglich.

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 von Netzsch können Metallpulver für die additive Fertigung ab Mengen von 100 kg zuverlässig entstaubt und gleichzeitig eine hohe Verfügbarkeit gewährleistet werden.

Entstauben von Titanpulver

Eine der bekanntesten Legierungen für 3-D-Metalldruck ist die Titanlegierung Ti6Al4V, die sich durch sehr gute mechanische Eigenschaften auszeichnet. Das Material weist höchste Festigkeitswerte bei niedrigem Gewicht auf und ist außerdem korrosionsbeständig. Um sicherzustellen, dass die Eigenschaften des 3-D-gedruckten Bauteils konstant erreicht werden, muss das Pulver eine hohe Sphärizität, glatte Oberfläche ohne Satelliten und eine gleichmäßige Korngrößenverteilung aufweisen. Solche sphärischen Titan- oder Titanlegierungspulver lassen sich beispielsweise über die Plasma-Verdüsung herstellen. In diesem Verfahren wird ein aus der zu verdüsenden Legierung gefertigter Draht Plasmabrennern zugeführt, durch die er in einem Schritt geschmolzen und zerstäubt wird. Dabei kann es auch zur Anhaftung kleiner Satelliten auf dem Pulver kommen, die den 3-D-Druckvorgang negativ beeinflussen können und daher idealerweise wieder abgetrennt werden müssen. Durch eine Beanspruchung in einer modifizierten Dichtbettstrahlmühle m-Jet lassen sich solche Satelliten von der Oberfläche der Pulverpartikel entfernen. Dies geschieht in einem geschlossenen Prozess unter Schutzgasatmosphäre, da auch ein geringer Restsauerstoffgehalt gefordert ist. Die REM-Aufnahmen des Produktes vor und nach der Verarbeitung zeigen, dass die störenden Satelliten entfernt werden konnten.

Netzsch Trockenmahltechnik GmbH, Hanau

Halle 4A, Stand 217


Autor: Christian Höfels

Prozessentwicklung,

Netzsch Trockenmahltechnik



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