01.11.2021
Drei Schüttkegel für die Messung der Schüttwinkel

Schüttkegel für die Messung der Schüttwinkel: ein Quarzsand Pulver aus der Veröffentlichung (mittleres Bild), verglichen mit Zucker (linkes Bild) und Mehl (rechtes Bild).

Quelle: BAM, Fachbereich Multimateriale Fertigungsprozesse

Ein Pulver beschreibt einen einzigartigen Zustand eines Materials, der sogar als eigener Aggregatzustand betrachtet werden könnte. Pulverförmige Materialien können ähnlich wie ein Gas komprimiert werden, wenn auch nicht im gleichen Ausmaß. In solch einem verdichteten Zustand verhalten sich Pulver wie Festkörper. Unter bestimmten Umständen können Pulver jedoch auch Eigenschaften einer Flüssigkeit annehmen und anfangen zu fließen.

Das Pulverfließverhalten spielt eine kritische Rolle in vielen verschiedenen Anwendungen. Eine dieser Anwendungen findet sich in der additiven Fertigung – einer Klasse revolutionärer Fertigungstechnologien zur Verarbeitung von Keramiken, Metallen und Polymeren. „Powder bed fusion“ und „Binder Jetting“ sind additive Fertigungstechnologien, in welchen ein Pulver schichtweise aufgetragen und ein sogenanntes Pulverbett aufbaut wird.

In diesem Pulverbett werden die gedruckten Bauteile eingebettet. Die Qualität des Pulverbetts, insbesondere die Packungsdichte, wird vom Pulverfließverhalten stark beeinflusst. Dieses Verhalten wird oft als „Fließfähigkeit“ bezeichnet und kann im Alltag erfahren werden, wenn man z.B. Zucker in den Kaffee schüttet oder eine Mehlpackung ausschüttet. In dem einen Fall fließt das Pulver fast wie eine Flüssigkeit, in dem anderen Fall fließt es dagegen fast gar nicht.

Ein kritisches Problem im Umgang mit Pulvern in der additiven Fertigung ist, dass eine eindeutige Definition der Pulverfließfähigkeit noch fehlt. Stattdessen existiert eine breite Palette von Messmethoden, um diese zu bestimmen, welche jedoch nicht direkt vergleichbare Ergebnisse liefern. Das behindert nicht nur die Reproduzierbarkeit des Prozesses, die Qualitätssicherung und den Austausch zwischen Technologien in der additiven Fertigung, sondern beeinflusst letztlich auch die Eigenschaften der Bauteile in negativer Weise.

Es besteht daher ein dringender Bedarf an der Entwicklung eines einheitlichen Vorgehens für die Charakterisierung der Pulverfließfähigkeit für die additive Fertigung, um so die industrielle Anwendbarkeit und Reife dieser innovativen Fertigungstechnologien voranzubringen.

Ein Team geleitet von Andrea Zocca und Jens Günster vom Fachbereich Multimateriale Fertigungsprozesse an der BAM in Kooperation mit dem Fachgebiet Keramische Werkstoffe der TU Berlin, hat kürzlich eine Methode entwickelt, die eine breite Auswahl von Charakterisierungsmethoden zusammenbringt und statistisch vergleicht. Dieser Vorgang ermöglicht, Unterschiede zwischen Pulvern zu erkennen, die sich zwar optisch ähnlich sind, sich aber im Prozess deutlich unterschiedlich verhalten.

Durch die Untersuchung von Korrelationen zwischen Pulverfließfähigkeit und Pulverbettdichte identifizierte das Team die Methoden, welche eine Vorhersage der Pulverbettdichte ermöglichen. Dadurch werden Forscher und Prozessingenieure dabei unterstützt, die Herstellung von dichten, reproduzierbaren und sicheren Bauteilen zu optimieren.

Diese Ergebnisse, veröffentlicht in Additive Manufacturing 47 (2021) 102250, werden Forschung und Industrie bei der Charakterisierung und beim Screening von Pulvern für die additive Fertigung helfen und so die Entwicklung von übertragbaren Standards für diese innovativen Technologien weiter voranbringen.

Characterization of powder flow behavior for additive manufacturing
Ilaria Baesso, D. Karl, Andrea Spitzer, A. Gurlo, Jens Günster, Andrea Zocca
veröffentlicht in Additive Manufacturing, Vol. 47, Aufsatznr. 2250, Seiten 1 - 14, 2021
BAM, Fachbereich Multimateriale Fertigungsprozesse