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Addi­tive Ferti­gungs­ver­fah­ren

Additive Fertigungsverfahren
Beim 3D-Druck kommen Metalle, Keramik beziehungsweise Pulver, Harz, Draht oder - wie hier - Kunststoff zum Einsatz. Foto: © Patrick Daxenbichler – stock.adobe.com
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Addi­tive Verfah­ren gibt es bereits seit über 30 Jahren. Doch erst im letz­ten Jahr­zehnt haben sich die Rand­be­din­gun­gen dafür signi­fi­kant weiter­ent­wi­ckelt – durch Entwick­lun­gen in der Daten­ver­ar­bei­tung, bei der Soft­ware, oder auch bei den Mate­ria­lien etablie­ren sie sich in immer mehr Bran­chen. Neben den offen­sicht­li­chen Vorzü­gen dieser Tech­nik gibt es aber auch Aspekte, die es im Sinne des Anwen­der­schut­zes zu berück­sich­ti­gen gibt.

Bei Addi­ti­ven Ferti­gungs­ver­fah­ren erfolgt die Erstel­lung eines Bauteils durch schicht­wei­sen Mate­ri­al­auf­trag. Dazu werden von den herzu­stel­len­den Bautei­len CAD-Modelle erstellt und mit einem entspre­chen­den Programm in die einzel­nen Schich­ten „zerschnit­ten“. Beim Baupro­zess werden diese Schich­ten dann wieder Schritt für Schritt aufge­baut. Dadurch können Bauteile mit Hinter­schnei­dun­gen, Stütz­struk­tu­ren oder Schar­nie­ren herge­stellt werden, die mit herkömm­li­chen Verfah­ren nicht in einem Schritt möglich wären. Da der schicht­weise Aufbau vergleichs­weise aufwen­dig ist, werden die addi­ti­ven Verfah­ren eher für kleine Stück­zah­len einge­setzt, wie beispiels­weise für Ersatz­teile oder Werk­zeuge älte­rer Maschi­nen. Ebenso spielt die addi­tive Ferti­gung in der Prothe­tik und beim Zahn­ersatz eine große Rolle, da hier zwei Vorteile zum Tragen kommen: einer­seits die Losgröße eins und ande­rer­seits die Indi­vi­dua­li­sier­bar­keit.

Es ist jetzt möglich, kosten­güns­tig indi­vi­du­ell ange­passte Prothe­sen, Instru­mente oder Schnitt­scha­blo­nen herzu­stel­len, die den Gene­sungs­pro­zess und auch die Opera­ti­ons­dauer verkür­zen. Bioni­sche Struk­tu­ren, die eine deut­li­che Einspa­rung an Gewicht und Mate­rial mit sich brin­gen, können oft wegen der aufwen­di­gen Struk­tu­ren kombi­niert mit gerin­gen Wand­stär­ken nicht klas­sisch herge­stellt werden, sondern werden dann oft addi­tiv gene­riert.

Addi­tive Ferti­gungs­ver­fah­ren werden in Verfah­ren diffe­ren­ziert, die in verschie­de­nen Normen und Richt­li­nien [1–3] beschrie­ben werden. Aus Sicht des Arbeits­schut­zes und im Beson­de­ren der inha­la­ti­ven Expo­si­tion ist es sinn­voll die unter­schied­li­chen Verfah­ren nach Mate­ria­lien und Mate­ri­al­form zusam­men­zu­fas­sen, das heißt Metalle, Kunst­stoff oder Kera­mik bezie­hungs­weise Pulver, Harz oder Draht.

3D-Drucker in Schu­len und kunst­stoff­ver­ar­bei­ten­den Anla­gen

Die mediale Aufmerk­sam­keit für die klei­nen 3D-Drucker Tisch­ge­räte, die in der Regel Kunst­stoff­draht als Ausgangs­stoff verwen­den, hat in den letz­ten Jahren deut­lich zuge­nom­men und finden in immer mehr Schu­len und ande­ren Bildungs­stät­ten Verwen­dung. An Innen­raum­ar­beits­plät­zen, zu denen auch Schu­len gehö­ren, gelten die toxi­ko­lo­gisch abge­lei­te­ten Innen­raum­richt­werte (RW) I und II des Ausschus­ses für Innen­raum­richt­werte (AIR) des Umwelt­bun­des­am­tes. Dabei gilt der (nied­ri­gere) RW I als Vorsor­ge­richt­wert, unter­halb dessen keine gesund­heit­li­chen Beein­träch­ti­gun­gen zu erwar­ten sind. Falls solche Innen­raum­richt­werte (noch) nicht vorhan­den sind, können die statis­tisch abge­lei­te­ten Innenraumarbeitsplatz-Referenzwerte (IRW) des Insti­tuts für Arbeits­schutz der Deut­schen Gesetz­li­chen Unfall­ver­si­che­rung (IFA) verwen­det werden, die vom Umwelt­bun­des­amt aner­kannt werden.

Nach bishe­ri­gem Kennt­nis­stand werden die RW I oder IRW einge­hal­ten, sofern der Drucker­raum regel­mä­ßig und ausrei­chend gelüf­tet wird. Dies kann über eine tech­ni­sche Lüftung oder auch über Fens­ter­lüf­tung, beispiels­weise nach jedem Druck­vor­gang, erfol­gen. Eine Beson­der­heit der 3D-Drucker Tisch­ge­räte ist die Viel­falt der verschie­de­nen Kunst­stoffe, die einge­setzt werden können und entspre­chend unter­schied­li­che Stoffe emit­tie­ren. Dies wird zusätz­lich noch durch die unter­schied­li­chen Schmelz­tem­pe­ra­tu­ren der Kunst­stoffe beein­flusst.

Neben den klei­nen Tisch­ge­rä­ten bildet einen großen Teil der Anwen­dun­gen die eben­falls kunst­stoff­ver­ar­bei­ten­den Anla­gen, die meist einen Kunst­stoff auf Poly­amid­ba­sis verwen­den. Für diese soge­nann­ten Laser­sin­ter­ver­fah­ren wurden bislang die Grenz­werte für die inha­la­tive Expo­si­tion gegen­über Gefahr­stof­fen einge­hal­ten, sofern nach der übli­chen „guten Labor­pra­xis“ gear­bei­tet wurde.

Anwen­dung in metall­ver­ar­bei­ten­den Anla­gen

Das dritte große Anwen­dungs­feld bilden die metall­ver­ar­bei­ten­den Anla­gen, bei denen davon ausge­gan­gen werden kann, dass die inha­la­tive Expo­si­tion dieser pulver(bett)basierten Verfah­ren im Vergleich zu den ande­ren addi­ti­ven Verfah­ren am höchs­ten ist. Zu diesen Verfah­ren gehö­ren unter ande­ren das Laser­strahl­schmel­zen, das Laser­auf­trag­schwei­ßen und das Elek­tro­nen­strahl­schmel­zen, auf die hier im Beson­de­ren einge­gan­gen werden soll. Dabei wird Metall­pul­ver durch einen fokus­sier­ten Laser- oder Elek­tro­nen­strahl schicht­weise aufge­schmol­zen. Das Pulver wird je nach Verfah­ren mittels Beschichter oder über eine Pulver­düse bereit­ge­stellt. Bei den meis­ten pulver(bett)basierten Verfah­ren besteht der Herstel­lungs­pro­zess aus ähnli­chen Schrit­ten (Abbil­dung 1) mit entspre­chend vergleich­ba­ren Expo­si­ti­ons­sze­na­rien [4].

Abb. 1: Mögli­che Arbeits­schritte bei pulver­ba­sier­ten Verfah­ren entlang der Prozess­kette; Quelle: R. Beis­ser

Für viele Schritte der Prozess­kette gibt es bereits auto­ma­ti­sierte Lösun­gen. Dazu gehört beispiels­weise das Befül­len der Anlage mit dem Pulver, natür­lich der Baupro­zess selbst, das grobe Entpul­vern der Werk­stü­cke nach der Bauphase und die Aufbe­rei­tung des Rest­pul­vers für den nächs­ten Baupro­zess. Aller­dings gibt es ebenso oft manu­elle Lösun­gen der eben genann­ten Arbeits­schritte. Arbeits­schritte wie das voll­stän­dige Entpul­vern des Werk­stücks oder die Entfer­nung der Stütz­struk­tu­ren finden zurzeit noch manu­ell statt.

Zum derzei­ti­gen Stand der bereits durch­ge­führ­ten betrieb­li­chen Messun­gen [5, 6] an Metallpulver-verarbeitenden Anla­gen kann Folgen­des fest­ge­hal­ten werden: Bei den bisher unter­such­ten Anla­gen, an denen chrom­hal­tige Metall­pul­ver zum Einsatz kamen, konn­ten keine Chrom(VI)-Verbindungen in der Luft am Arbeits­platz nach­ge­wie­sen werden. Außer­dem werden die allge­mei­nen Staub­grenz­werte für die alveo­len­gän­gige Frak­tion (A‑Staub, 1,25 mg/m³) und die einat­em­bare Frak­tion (E‑Staub, 10 mg/m³) immer einge­hal­ten. Tabelle 1 zeigt die aus 166 Mess­wer­ten gemit­tel­ten Werte, die im Rahmen der betrieb­li­chen Messun­gen bestimmt wurden. Darin aufge­führt sind die Mess­werte der alveo­len­gän­gi­gen Staub­frak­tion (A‑Staub) und der einat­em­ba­ren Staub­frak­tion (E‑Staub). Für die Werte „Haupt­kom­po­nente A‑Staub“ und „Haupt­kom­po­nente E‑Staub“ wurde für die Mittel­werte jeweils der Mess­wert des Metalls, das prozen­tual den größ­ten Gewichts­an­teil darstellt, verwen­det. Das heißt für den Werk­stoff Nummer 1.2709 wurde der Mess­wert von Eisen verwen­det, für Werk­stoff Nummer 2.4668 der Mess­wert von Nickel.

Durch die stark abwei­chende Dichte für den Werk­stoff auf Aluminium- und Titan­ba­sis im Vergleich zu den Edel­stahl­le­gie­run­gen und den Werk­stof­fen auf Nickel­ba­sis erge­ben sich even­tu­ell etwas zu hohe gemit­telte Werte für Legie­run­gen mit gerin­gen Dich­ten. Diese können hier jedoch vernach­läs­sigt werden, da davon auszu­ge­hen ist, dass der Grund für bereits veröf­fent­lichte stark streu­ende Mess­werte [5] durch die unter­schied­lich durch­ge­führ­ten manu­el­len Arbei­ten hervor­ge­ru­fen werden.

Bei der Vorbe­rei­tung des Baupro­zes­ses, also das Einrich­ten der ersten Schicht und die Pulver­be­fül­lung, werden Tätig­kei­ten mit offe­nem Pulver durch­ge­führt. Sofern dies Tätig­kei­ten mit metal­li­schen Pulvern sind, deren Bestand­teile keine stoff­spe­zi­fi­schen Grenz­werte haben – Titan oder Alumi­nium beispiels­weise –, sind die Grenz­werte sowohl für die allge­mei­nen Staub­grenz­werte einge­hal­ten und keine weite­ren Maßnah­men notwen­dig. Für Legie­run­gen, die als Haupt­be­stand­teil Nickel, Cobalt oder auch Kupfer beinhal­ten sind Maßnah­men notwen­dig. Nach der Rang­folge der Schutz­maß­nah­men, wie es in der Gefahr­stoff­ver­ord­nung vorge­schrie­ben ist, müssen die entste­hen­den Emis­sio­nen nach der Substi­tu­ti­ons­prü­fung luft­tech­nisch an der Entste­hungs­stelle erfasst werden. In diesem Fall würden sich beispiels­weise Glove­bo­xen anbie­ten. Wenn die Anlage bautech­nisch nicht verän­dert wurde, ist sie in der Regel so dicht, dass keine Expo­si­tion gegen­über Gefahr­stof­fen zu erwar­ten ist. Die Anlage wird auch für die metall­ver­ar­bei­ten­den Verfah­ren meis­tens unter Schutz­gas­at­mo­sphäre und in Umluft betrie­ben. Dennoch können einige Stoffe durch die im Über­druck gefah­re­nen Anla­gen austre­ten. Abhän­gig von der Legie­rung – insbe­son­dere wenn KMR-Stoffe (kanze­ro­gen, muta­gen, repro­duk­ti­ons­to­xisch) enthal­ten sind – ist zu prüfen, ob diese Stoffe austre­ten. Im Vergleich sind die Konzen­tra­tio­nen, die während des Baupro­zes­ses frei werden, um etwa eine Größen­ord­nung gerin­ger als bei der Prozess­vor­be­rei­tung oder ‑nach­be­rei­tung.

Die Aufar­bei­tung des Bauteils und die Reini­gung der Maschi­nen stel­len weitere Expo­si­ti­ons­si­tua­tio­nen dar, bei denen oftmals mit offe­nem Pulver gear­bei­tet wird. Auch hier verhält es sich so, dass für Tätig­kei­ten mit Legie­run­gen, deren Haupt­be­stand­teile keine stoff­spe­zi­fi­schen Grenz­werte haben, keine weite­ren Maßnah­men notwen­dig sind. Für Tätig­kei­ten mit Pulvern mit stoff­spe­zi­fi­schen Grenz­wer­ten sind wieder Maßnah­men in Form von gekap­sel­ten Lösun­gen notwen­dig.

AGW bei Nickelbasis-Legierungen

Eine Ausnahme bei den Mate­ria­lien stel­len Nickelbasis-Legierungen dar. Für Nickel-Metall exis­tiert ein Arbeits­platz­grenz­wert (AGW), der sich auf die E‑Staubfraktion bezieht und 0,03 mg/m3 beträgt. Dieser Wert wird bei allen Prozess­schrit­ten über­schrit­ten, auch beim sonst übli­cher­weise unbe­denk­li­chen Baupro­zess. Hier müssen bei jedem Umgang mit der Anlage und beson­ders bei jedem Umgang mit dem Werk­stoff Schutz­maß­nah­men getrof­fen werden.

Unab­hän­gig von der verwen­de­ten Legie­rung ist in jedem Fall auf staub­ar­mes Arbei­ten zu achten [7, 8]. Dazu gehö­ren die oben erwähn­ten auto­ma­ti­sier­ten Schritte und die luft­tech­ni­sche Erfas­sung an der Entste­hungs­stelle. Wenn dies gewähr­leis­tet ist, kann bei Prozess­schrit­ten, bei denen keine Tätig­kei­ten mit offe­nem Pulver und krebs­er­zeu­gen­den Metal­len statt­fin­den, ohne Atem­schutz gear­bei­tet werden. Beim Einsatz von reinen Metal­len oder Legie­run­gen mit krebs­er­zeu­gen­den Metal­len und deren Verbin­dun­gen sind neben der Gefahr­stoff­ver­ord­nung unter ande­rem die TRGS 910 [9] sowie die TRGS 561 [10] zu beach­ten, sofern diese Metalle und deren Verbin­dun­gen in der Luft nach­ge­wie­sen wurden.

 

Lite­ra­tur

  • Richt­li­nie VDI 3405 Addi­tive Ferti­gungs­ver­fah­ren – Grund­la­gen, Begriffe, Verfah­rens­be­schrei­bun­gen, Düssel­dorf VDI, 2014
  • Norm DIN EN ISO 17296–2:2016–12 Addi­tive Ferti­gung – Grund­la­gen – Teil 2: Über­blick über Prozess­ka­te­go­rien und Ausgangs­werk­stoffe (ISO 17296–2:2015); Deut­sche Fassung EN ISO 17296–2, 2016
  • Norm DIN EN ISO/ASTM 52900:2017–06 Addi­tive Ferti­gung – Grund­la­gen – Termi­no­lo­gie (ISO/ASTM 52900:2015); Deut­sche Fassung EN ISO/ASTM 52900:2017, 2017
  • Richt­li­nie VDI 3405 Blatt 6.1 Addi­tive Ferti­gungs­ver­fah­ren; Anwen­der­si­cher­heit beim Betrieb der Ferti­gungs­an­la­gen; Laser-Strahlschmelzen von Metall­pul­vern, Düssel­dorf VDI, 2018.
  • Beis­ser, R. et. al: Inha­la­tive Expo­si­tion gegen­über Metal­len bei addi­ti­ven Verfah­ren (3D-Druck). Gefahr­stoffe Rein­halt. Luft (77) (2017), S. 487–496.
  • Kolb, T. et.al.: Safety in addi­tive manu­fac­tu­ring: Fine dust measu­rements for a process chain in Laser beam melting of metals, RTeJour­nal – Fach­fo­rum für Rapid Tech­no­lo­gie, Vol. 2017, Iss. 1
  • Tech­ni­sche Regeln für Gefahr­stoffe: Tätig­kei­ten mit Expo­si­tion gegen­über A- und E‑Staub (TRGS 504). Ausgabe Juni 2016. GMBl. (2016) Nr. 31, S. 609–622, berich­tigt GMBl. (2016) Nr. 40, S. 791.
  • VBG Fach­wis­sen: Gib dem Staub keine Chance! Zehn goldene Regeln zur Staub­be­kämp­fung. Ausgabe 1.1/2016–01 (2016).
  • Tech­ni­sche Regeln für Gefahr­stoffe: Risi­ko­be­zo­ge­nes Maßnah­men­kon­zept für Tätig­kei­ten mit krebs­er­zeu­gen­den Gefahr­stof­fen (TRGS 910). Ausgabe Februar 2014. GMBl. (2014) Nr. 12, S. 258–270, zuletzt geän­dert und ergänzt: GMBl 2018 S. 545 [Nr. 28] (Fassung 07.06.2018)
  • Tech­ni­sche Regeln für Gefahr­stoffe: Tätig­kei­ten mit krebs­er­zeu­gen­den Metal­len und ihren Verbin­dun­gen (TRGS 561). Ausgabe Okto­ber 2017. GMBl 2017 S. 786–812 [Nr. 43] (Fassung 17.10.2017

Foto: privat

Autorin: Dr. Renate Beis­ser

Insti­tut für Arbeits­schutz der deut­schen gesetz­li­chen Unfall­ver­si­che­rung (IFA), Refe­rat 3.1 Expo­si­ti­ons­be­wer­tung,

renate.beisser@dguv.de

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