Wie sich die Pulverwiederverwendung auf die mechanischen Eigenschaften von MJF auswirkt

Pulverlebenszyklus in MJF

Frisches Pulver

Neues PA12- oder anderes Polymerpulver weist eine kontrollierte Partikelgrößenverteilung, enge Morphologie, stabile Oberflächenchemie, geringe Feuchtigkeit und bekannte thermische Eigenschaften auf. Die vom Druckkopf versprühten Flüssigkeiten zum Fixieren und Detaillieren sind ein zentraler Bestandteil des Prozesses. Sie verändern die lokale Absorption von Infrarotstrahlung, definieren verschmolzene Bereiche und beeinflussen die Oberflächenbeschaffenheit und die Haftung zwischen den Schichten.

Während eines Aufbaus

Der Aufbauprozess setzt das Pulver wiederholten kurzen Temperaturzyklen aus. Das Pulver im Baubett wird bis nahe an den Schmelz- oder Erweichungsbereich des Polymers vorgewärmt. Partikel in der Schmelzzone schmelzen und verfestigen sich wieder. Benachbartes Trägerpulver wird erhitzt, bleibt aber idealerweise ungesintert. Die thermische Belastung kann jedoch zu partiellem Sintern von losem Pulver, zur Bildung von Agglomeraten und zu Veränderungen der Oberflächenchemie führen, wenn Substanzen oder Gase bei erhöhten Temperaturen mit dem Polymer reagieren.

Sammlung und Handhabung

Nach dem Sinterprozess wird nicht gesintertes Pulver gesiebt und von der Sinterplatte und den Handhabungsvorrichtungen aufgefangen. Während des Sinterprozesses und der Handhabung entstehen Feinanteile. Einige Pulveragglomerate werden durch das Sieben aufgebrochen, jedoch nicht alle. Viele Betriebe wenden eine Auffrischungsstrategie an, bei der ein bestimmter Prozentsatz ungebrauchten Pulvers mit gebrauchtem Pulver vermischt wird, um gleichbleibende Eigenschaften zu gewährleisten. Lagerbedingungen und Aufbereitungsschritte beeinflussen zudem die Entwicklung des Pulvers zwischen den Zyklen.

Lebensende

Irgendwann erreicht das Pulver einen Punkt, an dem eine Wiederverwendung für qualitätskritische Teile nicht mehr akzeptabel ist und es entweder entsorgt, für Anwendungen mit geringerer Leistung umfunktioniert oder chemisch wiederaufbereitet wird.

Bildquelle: HP

Wichtige Pulvereigenschaften, die sich bei der Wiederverwendung verändern

Wiederholte Temperaturwechsel und Handhabung führen zu vorhersehbaren Veränderungen verschiedener Pulvereigenschaften. Diese Eigenschaftsänderungen bilden die Verbindung zwischen Wiederverwendung und Bauteilleistung.

• Partikelgrößenverteilung und Feinkornbildung: Durch mechanische Handhabung und teilweise thermische Zersetzung entstehen in jedem Zyklus tendenziell mehr Feinkornpartikel. Diese beeinflussen die Packungs- und Fließeigenschaften des Pulvers und erhöhen die Kohäsion zwischen den Partikeln erheblich.

• Schüttdichte und Packungsverhalten: Bei einem höheren Anteil an Feinanteilen und Agglomeraten kann sich die Schüttdichte ändern, und die Fähigkeit des Pulvers, sich beim erneuten Beschichten gleichmäßig zu packen, nimmt ab, was zu Schwankungen der Dichte von Schicht zu Schicht führt.

• Fließfähigkeit und Streichfähigkeit: Die Fließfähigkeit (Hall-Fließversuch, Scherversuche) verschlechtert sich mit zunehmender Oberflächenrauigkeit durch thermische Schädigung und steigendem Feinkornanteil. Schlechte Fließfähigkeit führt zu ungleichmäßigen Schichten, variabler Schichtdicke und gelegentlichen Lufteinschlüssen.

• Oberflächenchemie und Kontamination: Die Einwirkung von Hitze und Schmelzmitteln kann zu Oberflächenoxidation, leichter Karbonisierung an der Grenzfläche des Schmelzmittels oder Kontamination durch Rückstände von gebrauchten Schmelz- oder Poliermitteln führen. Veränderungen der Oberflächenchemie beeinflussen die Benetzung durch das Schmelzmittel und das Fusionsverhalten zwischen den Partikeln während der Energieeinwirkung.

• Veränderungen des Molekulargewichts und der thermischen Eigenschaften: Wiederholte Einwirkung erhöhter Temperaturen kann, abhängig von der chemischen Zusammensetzung und den Bedingungen, zu Kettenbrüchen oder Vernetzungen führen. Typischerweise verringert die thermische Alterung das durchschnittliche Molekulargewicht, was zu Verschiebungen des Schmelzflusses und des Glasübergangs führt.

• Morphologieänderungen und Agglomeration: Durch partielles Sintern können schwach gebundene Agglomerate entstehen, die sich durch Sieben nur schwer vollständig aufbrechen lassen. Die Agglomerate packen schlecht und verursachen lokale Dichteschwankungen.

• Feuchtigkeitsaufnahme: Wird das Pulver unsachgemäß gelagert, kann die aufgenommene Feuchtigkeit bei nachfolgenden Erhitzungen zu hydrolytischem Abbau führen und die Fließfähigkeit sowie das Sintern beeinträchtigen.

Wie sich veränderte Pulvereigenschaften in mechanische Veränderungen umsetzen

Erhöhte Porosität und geringere Bauteildichte → Reduzierte Festigkeit und Steifigkeit

Unzureichende Packung und ein hoher Feinkornanteil führen nach dem Schmelzen zu mehr Lufteinschlüssen und höherer Porosität. Porosität verringert den tragenden Querschnitt und wirkt als Spannungskonzentrator, wodurch die Zugfestigkeit und der effektive Elastizitätsmodul sinken. Bereits geringe Porositätszunahmen (selbst wenige Volumenprozent) können messbare Festigkeits- und Steifigkeitsverluste verursachen.

Heterogene Schichtbildung → Anisotropie und Variabilität

Wenn die neu beschichteten Schichten in ihrer Dichte variieren oder Agglomerate enthalten, werden die mechanischen Eigenschaften stärker von der Ausrichtung abhängig und weniger reproduzierbar, was sich in einer höheren Streuung der Testergebnisse und einem größeren Unterschied zwischen den Aufbauausrichtungen äußert.

Reduziertes Molekulargewicht → Geringere Duktilität und Zähigkeit

Durch die Spaltung von Polymerketten sinkt das Molekulargewicht, was üblicherweise die Bruchdehnung, die Schlagfestigkeit und die Bruchzähigkeit verringert. Bauteile können sich im Vergleich zu solchen, die aus neuem Pulver gedruckt wurden, „spröde“ anfühlen, selbst wenn die nominelle Festigkeit ähnlich ist.

Geschwächte Bindung zwischen den Partikeln → Geringere Dauerfestigkeit und Zwischenlagenfestigkeit

Oberflächenverunreinigungen und eine verminderte Leistung des Schmelzmittels können die effektive Verbindung zwischen Partikeln und Schichten beeinträchtigen. Eine reduzierte Zwischenschichthaftung mindert die Dauerfestigkeit, die Schälfestigkeit und die mechanischen Eigenschaften in Z-Richtung stärker als die planaren Eigenschaften.

Oberflächenfehler und Einschlüsse → Reduzierte Ermüdungs- und Bruchinitiierungsstellen

Feinpartikel, verkohlte Bruchstücke oder ungeschmolzene Agglomerate können unter zyklischer oder Stoßbelastung als Ausgangspunkte für Risse wirken und die Ermüdungsbeständigkeit stark verringern, selbst wenn die statische Zugfestigkeit noch akzeptabel ist.

Veränderte thermische Reaktion → Inkonsistentes Sicherungsverhalten

Bei ausreichender Änderung der DSC-, Tg- und MFI-Werte kann der gleiche Energieeintrag zu unterschiedlichen Schmelzgraden führen. Unterschmolzene Bereiche weisen eine geringe mechanische Kontinuität auf; überschmolzene Bereiche können das Mikrogefüge verspröden. Beides verschlechtert die Homogenität der Eigenschaften und kann die Endleistung mindern.

Nettoauswirkung auf gängige mechanische Kennzahlen

• Zugfestigkeit: nimmt im Allgemeinen bei häufiger Wiederverwendung und mangelhafter Auffrischung ab, vor allem aufgrund von Porosität und Bindungsverlust.

• Elastizitätsmodul: wird durch Dichteänderungen und Anisotropie beeinflusst; nimmt oft ab, reagiert aber möglicherweise weniger empfindlich als die Festigkeit.

• Bruchdehnung: Nimmt mit zunehmendem Molekulargewichtsverlust und steigender Porosität merklich ab; dies ist ein wichtiger Frühindikator für den Abbauprozess.

• Schlagzähigkeit und Dauerfestigkeit: oft die empfindlichsten Eigenschaften; kleine Oberflächenfehler und verminderte Haftung führen zu großen Leistungsabfällen.