Anwendungsfälle verschiedener Recoater-Konfigurationen für Direct Metal Laser-Sintern (DMLS)

30. September 2021 | Lesedauer: 7 min

Wenn es um verschiedene Optionen für die Beschichtung von Klingen geht, gab es in der Additive Manufacturing (AM)-Gemeinschaft immer eine Debatte darüber, ob eine weiche oder eine harte Beschichtungslösung verwendet werden sollte. Hier möchte ich einen Überblick über verschiedene Anwendungsfälle und die Vor- und Nachteile der weichen und harten Beschichtung geben. 

Hard Recoater

Die Standardoption für EOS-Systeme ist der Hartauftragsschweißer, da er Vorteile in Bezug auf die Teilequalität und Wiederholbarkeit bietet. Die starre Klinge gewährleistet eine gleichbleibende Schichtdicke und kann Spritzer von der Oberfläche des Teils entfernen, die während der Belichtung aus dem Schmelzbad herausgeschleudert wurden und einen hohen Risikofaktor für eine mangelnde Verschmelzung in nachfolgenden Schichten darstellen würden. Aufgrund ihrer Form und Steifigkeit verdichtet die harte Schaufel das Pulver während der Wiederbeschichtung, wodurch ein Pulverbett mit höherer Dichte entsteht. Alle EOS-Standardprozessparameter wurden mit harten Recoater-Schaufeln entwickelt, da diese sehr empfindlich gegenüber ungeeigneten Prozessparametern sind. Dadurch kann das Prozessfenster leicht auf robuste Prozessparameter eingegrenzt werden, die einen stabilen Prozess gewährleisten.

Ein harter Überzugslack weist im Vergleich zu weichen Überzugslacken eine höhere Verschleißfestigkeit auf, die auch bei langen Aufträgen konstante Überzugseigenschaften gewährleistet. Dadurch sind die Eigenschaften des gesamten Teils gleichmäßiger. Obwohl Hartauftragsschweißgeräte in der Regel teurer sind als Weichauftragsschweißgeräte, müssen bei einer Kostenanalyse auch die längere Lebensdauer und der geringere Wartungsaufwand berücksichtigt werden.

Stark regulierte Industriezweige haben Vorbehalte gegen Polymer-Weichbeschichtungen geäußert, da der Verschleiß zu einer Verunreinigung des Pulvers und zu Einschlüssen führen könnte. Die Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise ist besonders darauf bedacht, Siliziumeinschlüsse in ihren Triebwerksanwendungen zu vermeiden. Dies ist jedoch kein allgemeines Ausschlusskriterium.

Typische Anwendungen, die von den Vorteilen harter Beschichtungen profitieren, sind Teile mit höchsten Anforderungen an die Wiederholbarkeit der mechanischen Eigenschaften oder der Maßgenauigkeit sowie sperrige Teile, bei denen sich eine weiche Beschichtung bei langen Bauzeiten zu schnell abnutzen würde.

Ein Hauptproblem der harten Ummantelung ist ihre Steifigkeit. Wenn das Teil mit dem Wiederbeschichtungsgerät in Berührung kommt, ist das Risiko hoch, dass der Auftrag unterbrochen wird, während sich ein weiches Wiederbeschichtungsgerät an die Verformung des Teils anpassen würde. Ein Kontakt zwischen Teil und Ummantelung kann beispielsweise durch ein Versagen des Trägers aufgrund von Eigenspannungen oder durch Überhitzung aufgrund ungeeigneter Prozessparameter entstehen.

Bei hochwertigen Teilen oder in der Serienproduktion kann dieser Nachteil jedoch auch als Vorteil angesehen werden. Selbst wenn der Bauauftrag mit einem Softcoater abgeschlossen würde, wären die Schäden oder Unvollkommenheiten am Ende immer noch vorhanden und würden die Verschrottung des Teils erforderlich machen. Es besteht ein gewisses Risiko, dass der Schaden erst nach der Wärmebehandlung oder anderen Nachbearbeitungsschritten entdeckt wird und dadurch noch höhere Kosten verursacht. Im schlimmsten Fall, wenn der Fehler gar nicht entdeckt wird, kann er zu einer Fehlfunktion im Betrieb führen. Obwohl der Auftrag mit einem Hard Recoater scheitern würde, erhält der AM-Ingenieur eine direkte Rückmeldung, dass etwas mit dem Design, den Halterungen oder den Prozessparametern nicht stimmt und das Teil die nächste Iteration durchlaufen muss.

Ein weiterer Nachteil ist, dass alle Reibungskräfte bei der Wiederbeschichtung aufgrund der Steifigkeit der Klinge in das Teil übertragen werden. Diese Tatsache schränkt die Konstruierbarkeit bei hohen Aspektverhältnissen ein. Beim Wiederbeschichten können die Reibungskräfte das Teil verbiegen oder Vibrationen verursachen, die das Pulverbett stören. Dieses Problem kann durch angepasste Prozessparameter, die die thermische Situation des Teils berücksichtigen, teilweise entschärft werden, kann aber bei hohen und dünnen Designs immer noch ein limitierender Faktor sein.

Feine Objekte wie Gitterstrukturen für medizinische Anwendungen zeigen jedoch, dass zerbrechliche Teile mit einem Hartauftragsschweißgerät relativ einfach hergestellt werden können, wenn die Prozessparameter angepasst werden. Hüftpfannen sind ein gutes Beispiel für Teile mit feinen Strukturen, aber hohen Qualitätsanforderungen, bei denen ein Hartauftragsschweißgerät seine Vorteile unter Beweis stellen kann.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Hartauftragsschweißgeräten für EOS-Maschinen: HSS (Hochgeschwindigkeitsstahl) und Keramik. Es hängt vom verwendeten Material ab, welche Konfiguration des Wiederholwerkzeugs gewählt werden muss. Für die meisten Werkstoffe wird die HSS-Klinge verwendet, da sie trotz ihrer Härtung noch eine gewisse Duktilität aufweist. Daher ist die Gefahr des Ausbrechens von Kerben nach dem Kontakt mit dem Teil geringer als bei der keramischen Wiederbeschichtung. Bei Kerben nach einer groben Bearbeitung, z. B. durch ein Versagen der Halterung, muss die Klinge jedoch nicht ersetzt werden, sondern kann vorsichtig nachgeschliffen werden.

Wenn das Material magnetisierbar ist, muss ein Keramiktyp Beschichterklingen gewählt werden. Andernfalls würde das Pulver an der Klinge haften bleiben und beim Wiederbeschichten Schlieren verursachen. Solche Werkstoffe im EOS-Portfolio sind Stähle wie CX, PH1, 17-4PH oder MS1. Im Gegensatz zur HSS-Klinge können mögliche Kerben aufgrund der spröden Eigenschaften von Keramik nicht geschliffen werden. Allerdings ist das Material extrem verschleißfest.

Weiche Beschichtungsgeräte

Der Hauptvorteil der Soft-Recoater-Optionen ist die Verringerung der Recoater-Kräfte auf das Teil während des Recoatings. Da der Recoater flexibler ist, kann er nachgeben, wenn die Reibungskräfte zu hoch werden, oder er kann sich bis zu einem gewissen Grad an das Profil eines Teils anpassen, wenn dieses verformt ist und durch das Pulverbett hindurchragt. Daraus ergeben sich zwei Hauptanwendungsfälle, die mit den Vorteilen von Softcoatern einhergehen:

1. die Möglichkeit, Teile mit hohem Seitenverhältnis und zerbrechliche Merkmale leichter zu bauen 
2. die geringere Wahrscheinlichkeit von Auftragsunterbrechungen aufgrund von Staus beim Wiederbeschichten. Gerade im Prototypenbau sind kurzfristige Ergebnisse oft wichtiger als eine gesicherte Teilequalität. Deshalb setzen viele Dienstleister Softcoater ein, um enge Liefertermine einhalten zu können. Außerdem würde jeder abgestürzte Auftrag die Herstellungskosten erhöhen.

Die wesentlichen Nachteile von Softcoatern wurden bereits oben im Vergleich zu Hardcoatern kurz erwähnt. Ein erhöhter Verschleiß des Wiederbeschichtungsgeräts kann die Teileeigenschaften bei langen Bauaufträgen beeinträchtigen, da ein gleichmäßiges Wiederbeschichtungsverhalten über die gesamte Bauhöhe nicht gewährleistet werden kann. Außerdem wird im Falle einer Verformung des Teils, z. B. aufgrund einer unzureichenden Befestigung an der Bauplatte, der Auftrag fortgesetzt, aber das Teil ist mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht maßhaltig. Ein erfolgreicher Abschluss des Auftrags bedeutet daher nicht unbedingt ein Teil, das den Spezifikationen entspricht.

Nichtsdestotrotz ist der Softcoater ein hilfreiches Werkzeug, dessen Notwendigkeit von der Anwendung abhängt. Er kann die wirtschaftlichste Lösung für bestimmte Anwendungen sein, die die oben erwähnten Merkmale aufweisen: Hohes Aspektverhältnis, zerbrechliche Merkmale oder Bedarf an kurzfristigen Ergebnissen.

EOS bietet drei verschiedene Varianten von Softcoatern an. Den bereits seit vielen Jahren erhältlichen Kohlefaser-Bürstenbeschichter und zwei Typen der oben genannten Polymer-Beschichter für die EOS M 290: Silikon und Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR).

Der Bürstenauffrischer ist mit einer Sammlung von kurzen Kohlefasern ausgestattet, die in einem Halter befestigt sind. Sie hat zwar kleine Vorteile im Vergleich zu den Polymerklingen, ist aber teurer. Im Falle eines Kontakts mit dem Teil ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Wiederbeschichter dauerhaft beschädigt wird, etwas geringer als bei der Polymervariante, da sich die Fasern bis zu einem gewissen Grad zur Seite biegen können. Außerdem ist die Wirkung der Reibungskräfte lokaler, da das Teil nur mit einer bestimmten Menge an Fasern in Berührung kommt, was es für den Bau empfindlicher Teile besser geeignet macht. 

Die beiden Polymer-Beschichtungstypen für das EOS M 290, sind auch für die großen Rahmensysteme EOS M 400 und EOS M 400-4 erhältlich. Der einfachste Weg, sie zu unterscheiden, ist die Farbe: Das Silikonblatt ist transparent und das NBR-Blatt ist schwarz, aber es gibt auch Unterschiede in Bezug auf die Eigenschaften und Anwendungsfälle. Das NBR-Beschichtungsmaterial ist für den Einsatz bis zu 80 °C spezifiziert, während das Silikonmaterial für höhere Temperaturen geeignet ist.

Um die Möglichkeiten der neuen Polymer-Softcoater-Optionen zu zeigen, haben wir ein paar Teile mit hohem Streckungsverhältnis und EOS M 290 Buchstaben darauf gebaut, um die Herausforderung weiter zu erhöhen. Materialise Magics wurde verwendet, um die Baumstützen zu erstellen, die ein maximales Seitenverhältnis von 66 haben (2,5 mm Durchmesser mit einer Höhe von 165 mm). Der EOS M 290 Schriftzug auf der Oberseite wurde mit Hilfe der Materialise 3-matic Software entworfen und besteht aus einem netzbasierten Gitter mit Volumenkurven im Inneren. Darüber hinaus wurde die feine Halterung für das EOS-Logo mit Materialise e-Stage erstellt, das eine vollautomatische Halterungsgenerierung ermöglicht und dazu beitragen kann, Material für die Halterung einzusparen sowie die Zeit für die Datenaufbereitung erheblich zu reduzieren. Alles wurde dann auf einer EOS M 290 mit EOS Aluminium AlSi10Mg und dem neuen AlSi10Mg 60 µm Core Prozess gedruckt.

Schlussfolgerungen

Für jeden Recoater-Typ gibt es den passenden Anwendungsfall. Der harte Recoater wird von EOS als Standardoption für Teile mit höchsten Ansprüchen an die Wiederholbarkeit der Qualität angesehen, während ein weicher Recoater Teile mit hohem Aspektverhältnis ermöglicht. Darüber hinaus wird ein Soft-Recoater bevorzugt, wenn die Vorlaufzeit wichtiger ist als das Risiko von Fehlern. EOS bietet sowohl harte als auch weiche Beschichtungsgeräte an, so dass Sie problemlos das für Ihre Anwendung am besten geeignete Gerät auswählen können.