Laser-Strahlenschmelzen und Laser-Sintern

_{Schematische Darstellung des Laserstrahlschmelzens nach dem Pulverbettverfahren.
Zum Vergrößern, bitte Bild anklicken.© Jörg Block / BG ETEM}  

Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird aus dem Vorratsbehälter als dünne Schicht auf einer Bauplattform aufgetragen und entsprechend den programmierten Daten mittels eines oder mehrerer Laser an bestimmten Stellen verschmolzen. Die Bauplattform wird um die jeweilige Druckschichtdicke abgesenkt und mit einer neuen Materialpulverschicht bedeckt, die mittels Laserstrahl lokal mit der vorhergehenden Schicht verschmolzen wird. Auf diese Weise entsteht ein dreidimensionales Werkstück. Erwünschte Hohlräume bleiben mit nichtverschmolzenem Materialpulver gefüllt. Dieses muss im Post-Prozess entfernt werden. Im Post-Prozess werden von den Werkstücken neben den Pulverrückständen ggf. Stützkonstruktionen entfernt. Es können mechanische Nachbehandlungen und Wärmebehandlungen erforderlich sein.

Ausgangsmaterialien und deren Gefährdungen
Häufig werden Metalllegierungen in Pulverform verwendet, deren Legierungsbestandteile Eisen, Nickel, Chrom, Aluminium, Titan und viele weitere sein können. Auch Kunststoffe können beim Lasersintern eingesetzt werden.

Da es sich um Pulver mit geringen Partikelgrößen handelt, sind bei der Gefährdungsbeurteilung die möglichen Gefahren zu berücksichtigen, die von Stäuben ausgehen können. Dabei kann es sich um physikalisch-chemische Gefährdungen (z. B. Brand- und Explosionsgefährdungen), um Gesundheitsgefährdungen durch Einatmen (inhalative Exposition) oder durch Hautkontakte (dermale Exposition) handeln.

Sind Partikel kleiner als 100 μm, gelten sie als einatembar. Bei weniger als 10 μm sind sie alveolengängig. Das heißt, sie können aufgrund ihrer geringen Größe bis in die Lungenbläschen vordringen. Bei Tätigkeiten mit dem pulverförmigen Ausgangsmaterial muss somit mindestens der Allgemeine Staubgrenzwert für die alveolengängige Fraktion (A-Fraktion: 1,25 mg/ m³) und die einatembare Fraktion (E-Fraktion: 10 mg/m³) eingehalten werden.

Darüber hinaus ist zu prüfen, ob weitere stoffspezifische Gefährdungen und Luftgrenzwerte beachtet werden müssen. Dazu zählen z. B. Arbeitsplatzgrenzwerte, Akzeptanz- und Toleranzkonzentrationen bzw. Beurteilungsmaßstäbe krebserzeugender Metalle. Der Gesetzgeber veröffentlicht solche Werte in

• der TRGS 900 "Arbeitsplatzgrenzwerte",
• der TRGS 910 "Risikobezogenes Maßnahmenkonzept für Tätigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen" und
• der TRGS 561 "Tätigkeiten mit krebserzeugenden Metallen und ihren Verbindungen".

Bei der Verarbeitung von reaktiven Metallpulvern (z. B. Aluminium) kann sich bei Umfüllvorgängen oder Reinigungsarbeiten ohne wirksame Absaugung eine explosionsfähige Atmosphäre ausbilden. Bei Kontakt einiger Metallstäube mit Wasser, z. B. in Nassabscheidern, kann Wasserstoff entstehen – ebenfalls ein Explosionsrisiko. Ein weiteres Brand- bzw. Explosionsrisiko geht von bestimmten Materialkombinationen (z. B. Aluminium/Eisenoxid) aus, die unter starker Hitzeentwicklung miteinander reagieren können. Dies ist z. B. beim Filterwechsel zu beachten. Hinweise zu möglicherweise auftretenden Gefährdungen können der Betriebsanleitung und dem Sicherheitsdatenblatt entnommen werden. Darüber hinausgehende Informationen zu besonderen Gefahren und Schutzmaßnahmen können mithilfe des Sicherheitsdatenblattes oder z. B. der Gestis-Stoffdatenbank oder Gestis-Staub-Ex-Datenbank ermittelt werden.

Schutzmaßnahmen
Beim bestimmungsgemäßen Druckprozess wird die Freisetzung von Gefahrstoffen (Schweißrauche und Inertgas) durch eine geeignete und dichte Einhausung minimiert. Auch der Schutz vor der Laserstrahlung ist dadurch sichergestellt.

Insbesondere bei der Arbeitsvorbereitung und Nachbereitung muss bei manuellen Tätigkeiten mit einer Gefahrstoffexposition gerechnet werden. Für manuelle Arbeitsvorgänge, das sogenannte Pulverhandling, sind zusätzliche Schutzmaßnahmen notwendig.

Grundsätzlich sollte möglichst staubarm gearbeitet werden. Dazu kann der Hersteller konfektionierte Pulverkassetten bereitstellen. Möglich ist auch die Verwendung geschlossener Systeme für das Sieben. Falls erforderlich, ist die Umsetzung weiterer Schutzmaßnahmen zu prüfen, wie z. B. Einhausung, Absaugung oder ergänzend raumlufttechnische Maßnahmen. Um Verschleppungen in nicht belastete Bereiche zu vermeiden, sollten Pulverreste nach Abschluss des Druckprozesses umgehend aus der Anlage entfernt werden.

Anlagenbedingt kann die Reinigung des Werkstückes durch eine integrierte abgeschlossene Box, der sogenannten Glovebox möglich sein. Muss die Einhausung für die Reinigung geöffnet werden, ist mit einer inhalativen und dermalen Exposition zu rechnen. Auch bei diesem Vorgang muss staubarm gearbeitet werden. Das Abblasen der Anlage und des Werkstückes mit Druckluft ist nicht zulässig (siehe GefStoffV Anhang I Nummer 2.3 Absatz 6).