Brand- und Explosionsschutz in der additiven Fertigung mit Pulvern

Von brennbaren Stäuben spricht man, wenn Stäube, Fasern oder Schwebstoffe in der Luft brennen oder glimmen können und bei atmosphärischem Druck und bei normalen Temperaturen mit Luft explosionsfähige Atmosphären bilden können. Dies trifft auch auf die in der additiven Fertigung verwendeten Metall- und Kunststoffpulver zu.

Allgemeines zu Staubexplosionen

Eine Explosion kann nur unter den im sogenannten Gefahrentetraeder beschriebenen Voraussetzungen auftreten: Einflussfaktoren sind die Durchmischung des brennbaren Staubes mit Sauerstoff (Luft), die Konzentration der brennbaren Stoffe in Luft innerhalb der spezifischen Explosionsgrenzen (Stoff- und Korngrößenverteilung) sowie Art und Energieinhalt der Zündquelle (Wirksamkeit).

Eine kritische Staubkonzentration (explosionsfähige Atmosphäre) ist eine Konzentration von Staub in der Luft oberhalb der UEG (UEG = untere Explosionsgrenze). Liegen mehr als 10 Liter Volumen (oder 1/10.000 des Raumvolumens) explosionsfähige Atmosphäre vor, spricht man von explosionsfähiger Atmosphäre in gefahrdrohender Menge, auch gefährliche explosionsfähige Atmosphäre genannt. Bei einer UEG von 100 g/m³ sind das 1 g Staub/ 10 Liter Luft.

Explosionsfähige Atmosphäre in gefahrdrohender Menge kann auch dann entstehen, wenn großflächige Staubablagerungen (> 1 m²) mit Schichtdicken von 1 mm und mehr aufgewirbelt werden.

Die IFA-Datenbank Gestis-Staub-Ex der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) kann eine gute Hilfestellung bezüglich eventuell benötigter Brenn- und Explosionskenngrößen der Stäube bieten. Wenn es keine definierten Kenngrößen gibt, ist es zu empfehlen den vorliegenden Staub untersuchen zu lassen.

Ist die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre möglich, sind Explosionsschutzmaßnahmen notwendig. Unter Explosionsschutzmaßnahmen werden u. a. Maßnahmen verstanden, welche die Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre verhindern oder die Zündung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphäre vermeiden.

Eine generelle Vermeidung von Stäuben durch den Ersatz von Pulvern (Substitutionsgebot) ist nicht möglich, da die Pulver essenzieller Bestandteil des Druckverfahrens sind. Innerhalb der Anlagen wird die gefährliche explosionsfähige Atmosphäre durch Inertisierung verhindert. Im Arbeitsraum ist dies nicht möglich, daher liegt ein Hauptaugenmerk beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren (z. B. Laserstrahlschmelzen und Laser-Sintern) aufgrund der Reaktivität von Metall- und Kunststoffpulvern sowie Kondensaten auf der Vermeidung von wirksamen Zündquellen. In der betrieblichen Praxis sind hauptsächlich die folgenden Zündquellen von Bedeutung: heiße Oberflächen, z. B. heiß gelaufene Lager; Feuer, Flammen, Glut, z. B. Schweißen und Schneiden; mechanisch erzeugte Funken; elektrisch erzeugte Funken, z. B. Schaltvorgänge, Motoren sowie elektrostatische Entladungsfunken.

Das Aufwirbeln von Stäuben kann zu einer Bildung gefährlicher explosionsfähiger Atmosphären führen. Bereits geringe Energien, wie die elektrostatische Aufladung können eine wirksame Zündquelle sein. Daher sind Staubablagerungen, wo immer es geht, dringend zu vermeiden oder zu reduzieren. Bei Metallpulvern muss zusätzlich noch darauf geachtet werden, dass eine Vermischung von unterschiedlichen Metallpulvern nicht auftreten kann. Staubarmes Arbeiten sowie weitere Schutzmaßnahmen sind für einen ausreichenden Brand- und Explosionsschutz essenziell.

Übergreifende Schutzmaßnahmen

In der additiven Fertigung mit Pulvern ist grundsätzlich staubarm zu arbeiten. Eine regelmäßige Reinigung der Drucker ist notwendig und Pulverreste sowie Kondensate sind mit geeigneten Methoden zu beseitigen.
Grundsätzlich sind die Maschinen nur durch unterwiesenes Personal zu bedienen. Die Unterweisung sollte neben der korrekten Bedienung auch Sicherheitshinweise beinhalten, um Brandgefahren durch staubarmes Arbeiten von vornherein zu vermeiden, das richtige Schuhwerk und Arbeits-/Schutzkleidung zu verwenden, auf den Potentialausgleich zu achten (Erdung) sowie den Einsatz des richtigen Löschmittels sicherzustellen. Herkömmliche Löschmittel wie Wasser oder Schaum dürfen bei Metallbränden niemals verwendet werden, da sie bei den extremen Temperaturen chemische Reaktionen auslösen, die zu heftigen Explosionen führen können. Stattdessen sind spezielle Metallbrandlöscher der Brandklasse D erforderlich. Diese sind in unmittelbarer Nähe vorzuhalten. Der Umgang mit diesen Feuerlöschern sollte regelmäßig geübt werden.

Um elektrostatische Entladungen als Zündquelle wirksam auszuschließen, ist eine durchgängige Erdungskette bei vielen Prozessschritten wie z. B. beim Umfüllen/Einfüllen von Pulvern, der Bauteilreinigung, dem Sieben von Pulvern, der Reinigung des Bauraums unverzichtbar. Durch die Kombination aus ableitfähiger Schutzkleidung (z. B. ableitfähige Chemikalienschutzhandschuhe, ableitfähiges Schuhwerk), einem konsequenten Potenzialausgleich (Erdung) bei Maschine, Peripheriegerätschaften wie Behälter, Pumpen, Trichter, Saugrohre von Staubsaugern etc. und ableitfähigem Fußboden (z. B. mittels ESD-Matten) wird verhindert, dass sich gefährliche Ladungspotenziale aufbauen. Die Einrichtungen zur Erdung müssen regelmäßig durch eine befähigte Person auf ihre ordnungsgemäße Funktion überprüft werden.

Schutzmaßnahmen zu einzelnen Arbeitsschritten

Lagerung

Bereits bei der Lagerung sind geeignete Schutzmaßnahmen umzusetzen. Hierbei sind die produktbezogenen Lagervorschriften des Herstellers sowie die TRGS 510 zu beachten. Es sind mögliche Wechselwirkungen zwischen den Pulvern zu beachten. Lagergüter, die gefährlich miteinander reagieren können, dürfen nicht zusammengelagert werden. Im Arbeitsbereich ist die Pulvermenge auf den Tagesbedarf zu beschränken. Darüberhinausgehende Mengen sind im Gefahrstofflager oder in Sicherheitsschränken gemäß DIN EN 14470-1 zu lagern. Ein Transport der Pulver sollte in luftdichten Behältern stattfinden.

Pulver- und Anlagenvorbereitung

Für Ein- und Umfüllvorgänge sind staubdichte Vorrichtungen (z. B. direkte Schlauchverbindungen zwischen Gebinden und Handhabungsbox) zu verwenden. Offene Sieb- und Umfüllvorgänge sind zu vermeiden. Bei unvermeidbar offenen Vorgängen ist die Anwendung technischer Maßnahmen (Absaugung, Luftvorhang, Luftwalze) umzusetzen. An der Einfüllstelle ist eine Einfüllvorrichtung zur staubdichten Umhüllung zu verwenden.

Bauteilentnahme und Weiterverarbeitung

Die Reinigung des Bauteils und Pulverentnahme sind aufgrund der hohen Pulveraufwirbelung in geschlossenen Stationen oder bei geschlossener Maschinentür durchzuführen. Es sollte eine möglichst vollständige Vorreinigung der Bauteile direkt im Bauraum durchgeführt werden. Beim Öffnen der Maschinentür besteht die Gefahr, dass Reststäube nach außen getragen werden. Auch nach der Entnahme aus der Maschine bleibt ein Restrisiko des Pulveraustritts bzw. einer Aufwirbelung bestehen. Bei der Weiterverarbeitung der Bauteile, insbesondere bei komplexen Geometrien, kann es zur Freisetzung von Pulver aus den Hohlräumen kommen. Hierdurch entstandene staubbelastete Bereiche sind direkt zu reinigen.

Nachbearbeitung mit Isopropanol und Aceton

In der Nachbearbeitung des Werkstücks kommt es zur Verwendung der Lösemittel Isopropanol (IPA) und Aceton. Diese werden zum Reinigen der Laseroptiken und/oder zum Endreinigen der Bauteile verwendet.

IPA und Aceton sind leichtflüchtige Lösemittel. Mit der Verwendung können sich inhalative, dermale und Brand- und Explosionsgefahren ergeben. Daher ist bei der Verwendung von IPA und Aceton auf einen sparsamen Einsatz zu achten. Das Versprühen mit einer Spritzflasche ist zu vermeiden. Stattdessen sollte mit möglichst geringen Mengen gearbeitet werden, die mit einem Lappen aufgetragen werden.

Die Anwendung sollte in gut belüfteten Räumen stattfinden, um ein Einatmen der Dämpfe zu vermeiden. Nach dem Reinigungsvorgang muss die Belastung der Raumluft durch eine ausreichende Lüftung verringert werden. Um Hautkontakt zu vermeiden sind geeignete Chemikalienschutzhandschuhe zu tragen. Bei IPA eignen sich beispielsweise Schutzhandschuhe aus Nitrilkautschuk. Geeignete Chemikalienschutzhandschuhe sowie Hautschutzpräparate bei Tätigkeiten mit IPA und Aceton finden Sie in unserem Informationsportal "Hand- und Hautschutz".

Rückstände sind aufzufangen und fachgerecht zu entsorgen, da andernfalls Explosionsgefährdung besteht. Darüber hinaus sind die Angaben der Anlagenhersteller in der Betriebsanleitung zum Reinigen der Anlagen einzuhalten.

Zusammengefasst sind folgende Punkte zu beachten:

• Regelmäßige Reinigungsintervalle festlegen.
• Prüfung, ob Nutzung von Nassabscheider möglich (Achtung: Bestimmte Metallpulver reagieren mit Wasser explosiv!
• Kein Abblasen mit Luft.
• Verwendung eines geeigneten Industriestaubsaugers.
• Reinigung mit Lösemitteln nur in geringen Mengen und ohne Versprühen.
• Nach der Reinigung mit Lösemitteln ausreichend Lüften.

Reinigung vor/nach Beendigung eines Bauzyklus

Sowohl zur Entfernung von Pulverrückständen und Kondensaten als auch bei Nutzung der Drucker mit unterschiedlichen Werkstoffen ist eine gründliche Reinigung der staubbelasteten Bereiche notwendig.

Die Reinigung des Druckers sollte in regelmäßigen Abständen (z.B. nach dem Bauzyklus) erfolgen. Das in der Betriebsanleitung des Herstellers vorgegebene Verfahren ist einzuhalten. Pulverreste und Kondensate müssen entfernt werden, um die Bildung einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre und die Selbstentzündung der Kondensate zu vermeiden. Darüber hinaus können unterschiedliche Metallpulver miteinander reagieren, daher ist bei Materialwechsel eine umfangreiche Reinigung inklusive der Auffangbehälter und Filter notwendig. Regelmäßige Reinigungsintervalle verringern zudem die Gefahr einer Verschleppung durch die Beschäftigten.

Einige Metallpulver (z. B. Aluminium) können bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff freisetzen und so eine explosionsfähige Atmosphäre verursachen. Bei der Nutzung von Nassabscheidern ist vorab zu prüfen (z. B. im Sicherheitsdatenblatt, Abschnitt 10), ob das eingesetzte Ausgangsmaterial mit Wasser reagiert. Für die Beseitigung kleinerer Mengen Kondensat können ggf. geeignete Nassabscheider oder Reinigungstücher verwendet werden.

Auch bei diesem Arbeitsschritt muss zur Vermeidung einer elektrostatischen Aufladung auf einen Potenzialausgleich zwischen Maschine, Peripherie und Beschäftigte geachtet werden.

Wartung / Instandhaltung

Neben der Reinigung staubbelasteter Bereiche ist der regelmäßige Wechsel von Filterpatronen (Speicherfilter) der Absaugeinrichtungen und ggf. des Industriestaubsaugers bzw. dem Filterkuchen beim Nassabscheider notwendig, siehe hierzu DGUV Information 209-200 "Absauganlage" (Abschnitt 6 „Betrieb, Wartung Instandhaltung und wiederkehrende Prüfungen“). Alle leitfähigen Teile sind zu erden und alle ableitfähigen Teile der Filterelemente mit ausreichendem Erdkontakt zu versehen. Filter dürfen nicht ausgeklopft oder abgeblasen werden. Beim Wechsel ist zwingend der Potenzialausgleich sicherzustellen. Hierbei ist zu beachten, dass es durch die Kontamination des Filtersystems zu Brand- und Explosionsgefahren kommen kann. Der Filterwechsel hat nach Herstellervorgaben zu erfolgen. Dabei sind auch die Angaben aus dem Sicherheitsdatenblatt und Herstellervorgaben des verwendetet Pulvers zu beachten.

Entsorgung

Kunststoffabfälle, die beim Laser-Sintern anfallen, können im Allgemeinen als normaler Gewerbeabfall entsorgt werden. Wesentlich komplexer ist die Entsorgung von Reststoffen aus der Metallverarbeitung. Metallpulver-Abfälle behalten ihre gefährlichen Eigenschaften. Sie sollten daher genauso gelagert werden wie das frische Material: beispielsweise trocken, kühl und in den vom Hersteller vorgesehenen Behältern. In enger Absprache mit dem Entsorgungsunternehmen können zudem zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die Reaktionsfreudigkeit der Abfälle weiter zu senken.

Falls bei der Nachbereitung der Druckprodukte Metallschlämme anfallen, muss dafür gesorgt werden, dass sie nicht austrocknen. Schlämme sind immer feucht zu halten und es ist für Belüftung zu sorgen. Behälter müssen so gelagert werden, dass die Feuchtigkeit erhalten bleibt, aber entstehende Gase sicher entweichen können. Ein luftdicht verschlossener Eimer könnte sich sonst durch den Gasdruck gefährlich aufblähen.

Gebrauchte Filter und Abfälle aus Nassabscheidern (z. B. Schlämme) sind getrennt voneinander in geeigneten, gekennzeichneten Behältern zu lagern, um Reaktionen zu vermeiden.

Anforderungen an Staubsauger

Ein Abblasen von Staubablagerungen mit Luft ist grundsätzlich unzulässig, da sich sonst eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre bilden kann. Für die Reinigung sind Trocken-Staubsauger oder Nassabscheider zu verwenden. Teilweise stehen hierzu bereits festinstallierte integrierte Absaugvorrichtungen zur Verfügung. Wird zur Reinigung ein nicht geeignetes Absauggerät eingesetzt, kann sich eine gefährliche explosionsfähige Atmosphäre bilden und durch Funkenbildung oder elektrostatische Entladungen entzündet werden. Grundsätzlich ist ein geeigneter Industriestaubsauger, mit mindestens Staubklasse M zu verwenden (siehe dazu auch DGUV Information 209-084 "Industriestaubsauger und Entstauber"). Bei KMR-Metallpulvern gelten höhere Anforderungen, siehe hierzu Maßnahmen bei krebserzeugenden, mutagenen und reproduktionstoxischen (KMR) Metallpulvern. 

_{Staubklassen nach DIN EN 60335-2-69, Anhang AA, © DGUV}

Das Vorhandensein brennbarer Stäube erfordert zusätzliche Eigenschaften des Staubsaugers hinsichtlich des Explosionsschutzes. Wenn am Einsatzort und in der Einsatzzeit des Staubsaugers das Auftreten einer gefährlichen explosionsfähigen Atmosphäre ausgeschlossen werden kann, muss das Äußere des Staubsaugers nicht zwingend zündquellenfrei sein. In solchen Bereichen ist das Aufsaugen von brennbaren Stäuben mit Staubsaugern zulässig, deren staubbeladener Bereich (also nur das Innere) frei von inneren Zündquellen ist. Wichtig dabei ist eine elektrostatisch ableitfähige Ausführung der Stauberfassungselemente (Düsen/Saugbürsten, Rohre und Schläuche). Diese Staubsauger tragen häufig eine ACD (Applied for Combustible Dust) Kennzeichnung:

_{ACD-Sauger gemäß IEC 60335-2-69:2021 für die Absaugung brennbarer Stäube in nicht explosionsgefährlichen Bereichen (Zonen).}

In allen anderen Fällen, in denen Sauger in explosionsgefährlichen Bereichen eingesetzt werden sollen, dürfen nur Sauger in zündquellenfreier Bauweise verwendet werden. Konkret müssen dies Sauger sein, die z. B. als Geräte der Kategorie 3 D oder mit EPL Dc (Geräteschutzniveau Dc) für die Aufnahme von brennbaren Stäuben in den Verkehr gebracht worden sind.

Kennzeichnung von Industriestaubsaugern für den Einsatz in Zone 22

• Staubsauger gebaut nach RL 2014/34/EU (ATEX-RL) mit Kennzeichnung "Ex II 3D T x°C"   

oder

• Staubsauger geeignet für das Einsaugen von brennbaren Stäuben in einer als Zone 22 festgelegten Bereich nach DIN EN 62784 mit Kennzeichnung: Ex62784 IIIC T x°C Dc und Bildzeichen "62784"

oder

• „Geräte der Bauart Zone 22“ sein, für Staubklasse L (nach DIN EN 60335-2-69 Anhang AA) geeignet und zusätzlich nach DIN EN 60335-2-69 Anhang CC geprüft sein.

Wichtig ist: Bei der Beschaffung eines Trockensaugers und/oder Nassabscheiders unbedingt beim Hersteller/Lieferanten des Geräts angeben, für welchen Staub (Metallstaub unter Angabe des Metalls/der Metalle/Legierungen und /oder Kunststoffstaub) sie das Gerät benutzen wollen, ob dieser Staub brennbar ist und leitfähig ist. Die Eignung des Staubsaugers kann auch der Betriebsanleitung nachgelesen werde. Dort ist genau beschrieben, unter welchen Bedingungen das Gerät bestimmungsgemäß eingesetzt werden kann.

Ferner muss beim Industriestaubsauger und Nassabscheider darauf geachtet werden, dass sich unterschiedliche pulverförmige, reaktive Ausgangsmaterialien nicht im Sauger vermischen, da es sonst dort ebenfalls zu einer Entzündung kommen kann. Deshalb sollte der Staubsauger spätestens am Schichtende entleert werden. Nassabscheider sind ebenfalls regelmäßig zu reinigen.

Weitere allgemeine Informationen zum Staubexplosionsschutz: 

• Gefährdungsbeurteilung Explosionsrisiken (Medienportal: Bestell-Nr. S248)
• BG-Infoblatt: Staubexplosionsschutz - Grundlagen (Medienportal: Bestell-Nr. S327)