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Laser-Strahlschmelzen und Laser-Sintern

Laser-Strahlschmelzen und Laser-Sintern zählen zu den Additiven Fertigungsverfahren, die insbesondere im industriellen Bereich genutzt werden. Anwendung finden sie überwiegend für die Fertigung von Einzelteilen und Kleinserien.

Laserstrahlschmelzen nach dem Pulverbettverfahren
Schematische Darstellung des Laserstrahlschmelzens nach dem Pulverbettverfahren. Zum Vergrößern, bitte Bild anklicken.

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 pulverförmige Ausgangsmaterialien aus Aluminium und Titan sowie deren Legierungen verwendet. Ebenso können weitere Metalllegierungen z. B. Edelstahl, Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierungen und in selteneren Fällen auch Kunststoffe eingesetzt werden.

Da es sich um feine 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) und 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

Bei der Verarbeitung von reaktiven Metallpulvern (z. B. Aluminium) kann sich bei Umfüllvorgängen oder Reinigungsarbeiten ohne wirksame Absaugung eine explosionsfähige Atmosphäre ausbilden. Bei Kontakt dieser Stoffe mit Wasser, z. B. in Nassabscheidern, entsteht Wasserstoff - 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. 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 den z. T. hochenergetischen Laserstrahlen ist dadurch sichergestellt.

Insbesondere bei der Arbeitsvorbereitung und Nachbereitung muss bei manuellen Tätigkeiten mit einer Gefahrstoffexposition gerechnet werden. 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 heißt, dass Abblasen der Anlage und des Werkstückes mit Druckluft nicht gestattet ist (siehe GefStoffV Anhang I Nummer 2.3 Absatz 6).

Für die Reinigung müssen deshalb geeignete Industriestaubsauger eingesetzt werden (DGUV-Information 209-084). Da es sich um brennbare Stäube handelt, muss sichergestellt werden, dass keine Zündquellen eingesaugt werden und dass im Staubsauger der staubbeladene Bereich frei von inneren Zündquellen ist. Außerdem sollte der Staubsauger spätestens am Schichtende entleert werden.

Bei Bedarf müssen ein geeigneter Atemschutz gegen Partikel (mindestens FFP2) und geeignete Handschuhe getragen werden. Diese sollten staubdicht und bezüglich des eingesetzten Materialpulvers chemikalienbeständig sein. Das sollte mit dem Handschuhhersteller abgeklärt werden. Zur Vermeidung von Verschleppungen sollte die geschlossene Arbeitskleidung separat von der Alltagskleidung aufbewahrt werden.

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