Der Stickstoff-Einsatz (N2) beim selektiven Lasersintern

Für welchen Prozessschritt wird das Inertgas genau benötigt? Welche Optionen zur Versorgung gibt es und was sind die Vorteile?
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Stickstoff als Schutzgas beim SLS 3D-Druck

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden Metall-, oder Kunststoffpulver Schicht für Schicht anhand eines drei-dimensionalen digitalen Models durch Laser aufgeschmolzen. Ein komplexes Bauteil kann so vergleichsweise schnell allein aus einer 3D-Computerdatei direkt nach der Konstruktion „ausgedruckt“ und verwendet werden.

Damit die Werkstoffe im Moment der Erhitzung durch den Laser nicht mit Sauerstoff aus der Umgebung reagieren, muss dieser aus dem Bauraum mit Stickstoff verdrängt werden. Nur sehr wenige hochwertige Metallpulverlegierungen, die zum Beispiel Titan enthalten, müssen mit Argon inertisiert werden. Titan kann bei sehr hohen Temperaturen mit Stickstoff noch reagieren. Für die weitaus meisten Werkstoffe reicht aber die Verdrängung des Sauerstoffs durch Stickstoff. Viele Kunststoffe, wie z.B. PA12, kommen sogar mit der Umgebungsluft klar. Allerdings gilt das für weiße Kunststoffpulver mit Einschränkungen. Die Bauteileigenschaften wie die Festigkeit bleiben zwar weitestgehend gleich, allerdings sorgt der Kontakt mit Sauerstoff für eine Veränderung der Bauteilfarbe – die weißen Drucke werden ‚vergilbt‘.

Zu den Kunststoffen die während der Verarbeitung im selektiven Lasersintern mit der Umgebungsluft reagieren (oxidieren) und dadurch die Bauteileigenschaften negativ beeinträchtigen zählt z.B. das Polyamid PA11. Hier muss sowohl bei schwarzen/grauen wie auch weißen Pulvern ein Intergas bei der Verarbeitung verwendet werden.

 

N2-Versorgung durch Flaschen oder einen Generator?

Bevor der Fertigungsprozess starten kann, muss der Bauraum also mit Stickstoff möglichst schnell gespült werden. Danach, während der Fertigungsprozess durch den Laser stattfindet, wird die Atmosphäre in der Prozesskammer nur mit einer kleineren Menge Stickstoff umgewälzt, um die beim Schmelzprozess entstehenden Verunreinigungen und Dämpfe auszuspülen.

Je nach Größe des Bauraums werden unterschiedliche Mengen an Stickstoff benötigt. Generell gibt es für den Betreiber des SLS-Systems mehrere Möglichkeiten, sich mit Stickstoff zu versorgen.  Die Gaseindustrie kann ihn in einzelnen Gasflaschen, in Flaschenbündeln oder tiefkalt bei -196° C in flüssiger Form in vakuum-isolierten Tanks liefern. Der Betreiber kann den Stickstoff aber auch sehr einfach vor Ort aus Druckluft in höchster Reinheit (5-5.000 ppm Restsauerstoffgehalt) erzeugen.

Wirtschaftlichste Variante hängt von Vorgaben ab

Welche Versorgungsform die wirtschaftlichste Variante ist, hängt von den individuellen Rahmenbedingungen ab. Im Wesentlichen ist dies die benötigte Stickstoff-Menge und die Gleichmäßigkeit des Verbrauchs.

Eine handelsübliche Gasflasche mit einem geometrischen Volumen von 50 l beinhaltet etwa 14.500 Liter gasförmigen Stickstoff bei 300 bar. Ein großes Gasbündel mit 12 Flaschen speichert somit 174.000 Liter Stickstoff. Nutzt man die Laser-Sinter-Anlage nur sporadisch und scheut man die Bestellung, Lagerung und den Transport der schweren Flaschen nicht, so kann diese Art der Versorgung geeignet sein. Alle 34 Betriebsstunden muss die Gasflasche bei einem Durchschnittsverbrauch von 420 Litern pro Stunde somit gewechselt werden.

Bei SLS 3D-Druck Kompaktanlagen kommt man bei komplett gefülltem Bauraum schnell auf +100 Stunden Druckzeit. Bei Industrieanlagen hingegen erreicht man durch das verwendete Galvanometer zur Laserstrahlenablenkung selten eine Druckzeit von mehr als 20 Stunden (z.B. bei der XYZprinting 230 SLS Anlage).

Stickstoff-generatoren lohnen sich oft im Betrieb

Sofern der Produktionsprozess regelmäßig betrieben wird und man sich die Handhabung der Gasflaschen ersparen möchte, ist es wesentlich bequemer, einen Stickstoff-Generator zu betreiben. Dieser scheidet den Sauerstoff aus der Druckluft bei 6-10 barü ab und liefert den benötigten Stickstoff. Der Platzbedarf beträgt ca. 0,8 x 1,2 m. Der Generator kann 24 Stunden pro Tag, 7 Tage die Woche ohne Unterbrechung betrieben werden. Die zusätzliche Investition in diese Anlage amortisiert sich in der Regel in weniger als zwei Jahren. Die Betriebs- und Wartungskosten sind wesentlich niedriger als die Kosten, die durch die Gasflaschen und deren Handhabung und Lieferung entstehen.

Wer eine Benchtop SLS Anlage betreibt und damit nur selten PA11 verarbeitet bzw. für den Start das Material in kleiner Menge ausprobieren will, empfiehlt sich der Start mit der Gasversorgung über eine Flasche. Wer (Klein)Serien in PA11 fertigt, wird relativ schnell mit einer Gasflasche an die Grenze stoßen.

Bei einem Industrie SLS 3D-Drucker ist die Stickstoffversorgung übrigens auch bei PA12 Voraussetzung. Das hat mit der kontrollierteren Umgebung Zutun und den erhöhten Anforderungen an die Wiederholgenauigkeit und Festigkeit der erzeugten Bauteile

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