Die Sicherheitsherausforderungen bei der additiven Metallfertigung mittels Pulverbettfusion verstehen

Trotz aller Vorteile der additiven Fertigung (AM) mit PBF-Metallen gibt es echte Sicherheitsherausforderungen, die angegangen werden müssen, um Menschen, Anlagen und Produktivität zu schützen.

Die Brand- und Explosionsgefahr

Wir wissen, dass bei der Pulverbettschmelze (PBF) häufig Laser oder Elektronenstrahlen mit feinen Pulvern wie Aluminium oder Titan kombiniert werden. Diese Mischung aus intensiver Hitze und hochreaktiven Brennstoffen stellt in Gegenwart von Sauerstoff eine Zündgefahr dar und birgt Explosionspotenzial. Das Risiko wird dadurch erhöht, dass Metallpulver mit einer Oxidschicht versehen sind, die bei der Handhabung und beim Drucken abgetragen werden kann, sodass freiliegende Oberflächen entstehen, die in Gegenwart von Sauerstoff heftig reagieren.

Schutz durch inerte Atmosphären

Um diesen Risiken zu begegnen, arbeiten die meisten PBF-Maschinen mit einer Inertgasatmosphäre, wobei Argon oder Stickstoff verwendet wird, um die Sauerstoffkonzentration niedrig zu halten. Dadurch wird eine Seite des Feuerdreiecks beseitigt und die Entstehung brennbarer oder explosiver Bedingungen verhindert. Dieser Sicherheitsansatz hängt davon ab, dass die Sauerstoffmenge in der Inertatmosphäre bekannt ist und kontrolliert werden kann. Wenn der Sauerstoffgehalt einen kritischen Schwellenwert überschreitet, kann sich die Umgebung im Inneren des 3D-Druckers/der Baukammer schnell von „sicher“ zu „explosiv“ verändern. Da Zündquellen wie Laser immer vorhanden sind, ist eine zuverlässige Sauerstoffüberwachung sowohl für die Sicherheit als auch für die Einhaltung von Vorschriften von zentraler Bedeutung.

Das regulatorische Umfeld

Die europäischen ATEX-Richtlinien legen fest, wie Arbeitsplätze mit explosionsgefährdeten Bereichen umgehen müssen. Die Zonen (20, 21, 22) definieren, wie häufig solche Bereiche auftreten können, und legen das erforderliche Kontrollniveau fest. Für AM besteht die Herausforderung darin, zu entscheiden, ob eine inerte Umgebung wie eine PBF-Baukammer als Gefahrenzone einzustufen ist und wenn ja, auf welcher Stufe. Das hängt vollständig von der Zuverlässigkeit der vorhandenen Inertisierungs- und Überwachungssysteme ab.

Unterschiedliche Perspektiven, dasselbe Problem

Die Herausforderung ist klar, doch der Weg zu ihrer Bewältigung ist komplexer. Ein Netz internationaler Standards gibt vor, wie Maschinenlieferanten und -betreiber mit Sicherheitsfragen umgehen sollten, doch diese Standards sind nicht immer perfekt aufeinander abgestimmt.

Das bedeutet, dass ein Sicherheitssystem, das auf die Anforderungen eines Lieferanten zugeschnitten ist, für die umfassenderen Verantwortlichkeiten eines Betreibers möglicherweise nicht ausreicht.

Warum SIL wichtig ist

Der Sicherheitsintegritätslevel (SIL) ist ein weltweit anerkanntes Maß für die Zuverlässigkeit eines Sicherheitssystems. In der additiven Fertigung gilt der SIL für Systeme, die den Sauerstoffgehalt so niedrig halten, dass keine Explosionsgefahr besteht. Für Lieferanten bedeutet dies oft, dass sie im „High Demand“-Modus planen müssen, wobei davon ausgegangen wird, dass mindestens einmal pro Jahr ein Ausfall auftritt. Betreiber hingegen möchten möglicherweise weniger häufige Ausfälle („Low Demand“-Modus) für sich verbuchen und anhand von Prüfungen und Diagnosen einen höheren SIL rechtfertigen.

Die Vorschriften machen dies deutlich: Das Sicherheitssystem muss vom Prozesssteuerungssystem getrennt sein. In der Praxis bedeutet dies, dass AM-Maschinen zwei Steuerungsebenen benötigen:

Dieser duale Ansatz gewährleistet die Einhaltung von Richtlinien wie ATEX 2014/34/EU, die ausdrücklich vorschreiben, dass Sicherheitsvorrichtungen unabhängig voneinander funktionieren müssen. Die Aufrechterhaltung dieser Unabhängigkeit bedeutet auch, dass die Sensoren über einen längeren Zeitraum hinweg zuverlässig funktionieren müssen. Im Rahmen der laufenden Forschung mit Irlands führender unabhängiger Forschungs- und Technologieorganisation Irish Manufacturing Research (IMR) untersucht Ntron Gas Measurement, wie sich die Abgase (Kondensate) in PBF-Maschinen auf die Leistung von Sauerstoffsensoren auswirken können, und entwickelt Methoden zu deren Minderung. In der hochmodernen Additive-Manufacturing-Anlage von IMR werden unsere Analysegeräte auf Maschinen in Produktionsgröße installiert, um unter realen Betriebsbedingungen getestet zu werden, die den Anforderungen von OEMs und Endnutzern entsprechen. Diese Arbeit ist entscheidend, um sicherzustellen, dass unabhängige Sicherheitssysteme in Theorie und Praxis zuverlässig bleiben.

Unser SILO2 Der Sauerstoffanalysator wurde speziell für diesen dualen Ansatz entwickelt und eignet sich für Umgebungen, in denen sowohl Qualität als auch Sicherheit von extrem niedrigen Sauerstoffwerten abhängen. Der SILO2 bietet:

Durch die zuverlässige, normkonforme Sauerstoffmessung ermöglicht der SILO2-Analysator den Lieferanten die Entwicklung sichererer Systeme und gibt den Betreibern die Gewissheit, dass sie ihre Prozesse als „sicher“ und nicht als gefährlich einstufen können.

Das Potenzial von Metall-AM ist enorm, aber die Risiken sind real. Die Abstimmung von Maschinenkonstruktion, Betreiberverantwortlichkeiten und Sicherheitsstandards erfordert eine robuste, unabhängige Sauerstoffüberwachung. Mit dem SILO2-Analysegerät können Lieferanten Systeme liefern, die anspruchsvolle Sicherheitsanforderungen erfüllen, während die Betreiber die Gewissheit haben, dass ihre Prozesse geschützt sind.

Von David Beirne, Senior Product Manager Taupunkt & Sauerstoff