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    Einsatzfälle verschiedener Recoater-Konfigurationen

    für das Direkte Metall-Laser-Schmelzen (DMLS)

Wenn es um verschiedene Ausführungen von Beschichterklingen geht, gibt es in der Community für additive Fertigung (AM) von jeher Diskussionen darüber, ob ein weiches oder ein hartes Beschichtungssystem verwendet werden soll. Vor dem Hintergrund der kürzlichen Vorstellung von zwei neuen Polymer-Beschichtern für die EOS M 290 möchte ich einen Überblick über die verschiedenen Einsatzfälle und die Vor- und Nachteile von Soft- und Hardcoatings geben.

Michael Wohlfart
Key Account Manager Industrial Solutions
EOS GmbH

Harte Recoater

Aufgrund seiner Vorteile in Bezug auf die Teilequalität und Wiederholbarkeit ist der harte Beschichter die Standardoption für EOS-Systeme. Die starre Klinge gewährleistet eine gleichmäßige Schichtdicke und kann Spritzer von der Oberfläche des Werkstücks entfernen. Diese können während der Belichtung aus dem Schmelzbad herausgeschleudert werden und dann die Verschmelzung in den nachfolgenden Schichten gefährden. Aufgrund ihrer Form und Steifigkeit verdichtet die harte Klinge das Pulver während der Beschichtung, wodurch ein Pulverbett mit höherer Dichte entsteht. Alle standardmäßigen Prozessparameter von EOS werden mit harten Beschichterklingen entwickelt, da diese sehr empfindlich gegenüber ungeeigneten Parametern sind. Dadurch kann das Prozessfenster leicht auf robuste Parameter, die einen stabilen Prozess gewährleisten, eingegrenzt werden.

Ein Hartbeschichter weist im Vergleich zu weichen Recoatern eine höhere Verschleißfestigkeit auf, die auch bei langen Bauaufträgen konstante Beschichtungseigenschaften gewährleistet. Dadurch wird das ganze Bauteil konsistenter. Hartbeschichter sind in der Regel teurer als Weichbeschichter, allerdings müssen bei einer Kostenanalyse natürlich auch die längere Lebensdauer und der geringere Wartungsaufwand berücksichtigt werden.

Stark regulierte Industriezweige haben Vorbehalte gegen weiche Polymer-Beschichter geäußert, da der Verschleiß möglicherweise zu einer Verunreinigung des Pulvers und zu Einschlüssen führen kann. So ist die Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise besonders darauf bedacht, Siliziumeinschlüsse in ihren Triebwerken zu vermeiden. Ein generelles Ausschlusskriterium ist das aber nicht.

Typische Anwendungen, die von den Vorteilen harter Beschichter profitieren, sind Bauteile mit höchsten Anforderungen an die Wiederholbarkeit der Qualität in Bezug auf mechanische Eigenschaften oder Maßgenauigkeit. Oder sperrige Teile, bei denen sich ein weicher Beschichter bei langen Bauzeiten zu schnell abnutzen würde.

Ein Hauptproblem des harten Beschichters ist seine Steifigkeit. Wenn das Werkstück mit ihm in Kontakt kommt, ist das Risiko hoch, dass der Auftrag abgebrochen wird. Ein weicher Beschichter würde sich hingegen an die Verformung des Teils anpassen. Zu einem Kontakt zwischen Bauteil und Beschichter kommt es z. B. durch ein Versagen der Stützstruktur aufgrund von Eigenspannungen oder durch Überhitzung aufgrund ungeeigneter Prozessparameter.

Bei hochwertigen Teilen oder in der Serienfertigung kann dieser Nachteil jedoch auch als Vorteil gesehen werden. Selbst wenn der Bauauftrag mit einem Softbeschichter abgeschlossen würde, wäre die Beschädigung oder Unvollkommenheit am Ende immer noch vorhanden. Das Teil muss verschrottet werden. 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 könnte der Defekt, wenn er überhaupt nicht erkannt wird, zu einer Fehlfunktion im Betrieb führen. Bricht der Auftrag mit einem Hartbeschichter ab, erhält der AM-Ingenieur eine direkte Rückmeldung, dass etwas mit dem Design, den Stützstrukturen oder den Prozessparametern nicht stimmt und dass das Teil die nächste Iterationsschleife durchlaufen muss.

Ein weiterer Nachteil von Hartbeschichtern ist, dass alle Reibungskräfte während der Beschichtung durch die steife Klinge in das Teil übertragen werden. Diese Tatsache schränkt die Konstruierbarkeit bei hohen Aspektverhältnissen ein. Beim Beschichten können die Reibungskräfte das Teil verbiegen oder Vibrationen verursachen, die das Pulverbett stören. Diese Herausforderung kann durch angepasste Prozessparameter, die die thermische Situation des Teils berücksichtigen, teilweise entschärft werden, ist aber dennoch ein limitierender Faktor für hohe und dünne Designs.

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

Es gibt zwei verschiedene Arten von Hartbeschichtern für EOS-Maschinen: HSS (Schnellarbeitsstahl) und Keramik. Das eingesetzte Material bestimmt dabei, welche Recoater-Konfiguration gewählt werden muss. Für die meisten Materialien wird die HSS-Klinge verwendet, da sie trotz ihrer Härtung noch eine gewisse Formbarkeit aufweist. Daher ist die Gefahr, dass nach dem Kontakt mit dem Werkstück Kerben entstehen, geringer als beim Keramikbeschichter. Falls sich nach einem harten Job, z. B. aufgrund eines Versagens der Stützstruktur, doch Kerben gebildet haben, muss die Klinge jedoch nicht ersetzt, sondern kann vorsichtig nachgeschliffen werden.

Wenn das Material magnetisierbar ist, muss eine keramische Beschichterklinge gewählt werden. Andernfalls würde das Pulver an der Klinge haften bleiben und beim Beschichten 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 weggeschliffen werden. Allerdings ist das Material extrem verschleißfest.

Weiche Recoater

Der Hauptvorteil weicher Beschichter besteht darin, dass während des Beschichtens weniger Kräfte auf das Bauteil wirken. Da der Recoater flexibler ist, kann er nachgeben, wenn die Reibungskräfte zu hoch werden. Oder er passt sich bis zu einem gewissen Grad an das Profil des Werkstücks an, wenn es verformt ist und durch das Pulverbett hindurchragt. Daraus ergeben sich zwei wesentliche Vorteile, die weiche Beschichter bieten:

  1. die Fähigkeit, zerbrechliche Teile mit hohem Aspektverhältnis leichter herzustellen, 
  2. die geringere Wahrscheinlichkeit von Auftragsunterbrechungen aufgrund einer verstopften Beschichtungsanlage. Besonders beim Prototyping sind kurzfristige Ergebnisse oft wichtiger als eine gesicherte Teilequalität. Deshalb setzen viele Dienstleister Soft-Recoater ein, um enge Liefertermine einhalten zu können. Außerdem würde jeder abgestürzte Auftrag die Herstellungskosten erhöhen.

Die wesentlichen Nachteile von Soft-Recoatern im Vergleich zu harten Versionen wurden bereits oben kurz erwähnt. Ein erhöhter Verschleiß des Recoaters kann bei langen Bauaufträgen die Bauteileigenschaften beeinträchtigen, da ein gleichmäßiges Beschichtungsverhalten über die gesamte Bauhöhe nicht gewährleistet werden kann. Darüber hinaus wird im Fall einer Verformung des Teils, z. B. aufgrund einer unzureichenden Befestigung an der Bauplatte, der Auftrag fortgesetzt, das Teil ist aber mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht maßhaltig. Ein erfolgreicher Abschluss des Auftrags bedeutet daher nicht unbedingt, dass das Teil auch den Spezifikationen entspricht.

Nichtsdestotrotz ist der Soft-Recoater ein nützliches Tool, das bei bestimmten Anwendungen seine Berechtigung hat. So kann er bei folgenden Voraussetzungen die wirtschaftlichste Lösung sein: hohes Aspektverhältnis, Zerbrechlichkeit oder die Notwendigkeit kurzfristiger Ergebnisse.

EOS bietet drei verschiedene weiche Beschichter. Der bereits seit vielen Jahren erhältliche Kohlefaser-Bürstenbeschichter und zwei Typen der oben genannten Polymer-Beschichter für die EOS M 290: Silikon und Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR).

Der Bürstenbeschichter hat kurze Kohlefasern, die in einem Halter sitzen. Er hat zwar im Vergleich zu den Polymer-Klingen leichte Vorteile, ist allerdings auch teurer. Im Falle eines Kontakts mit dem Bauteil ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Recoater dauerhaft beschädigt wird, etwas geringer als bei der Polymer-Variante, da sich die Fasern bis zu einem gewissen Grad zur Seite biegen können. Außerdem wirken die Reibungskräfte lokaler, da das Werkstück nur mit einer bestimmten Menge an Fasern in Berührung kommt. Der Bürstenbeschichter eignet sich daher besser für den Bau empfindlicher Teile. 

Die beiden Polymer-Beschichter für die EOS M 290 gibt es auch für die großen Rahmensysteme EOS M 400 und EOS M 400-4. Am leichtesten lassen sie sich an ihrer Farbe erkennen: Die Silikonklinge ist transparent, die NBR-Klinge schwarz. Es gibt aber auch Unterschiede in Bezug auf die Eigenschaften und Einsatzfälle. Das Material des NBR-Beschichters ist für den Einsatz bis 80 °C spezifiziert, während sich Silikon auch für Arbeiten bei höheren Temperaturen eignet.

Um die Fähigkeiten der neuen Polymer-Soft-Recoater zu zeigen, haben wir einige Teile mit hohem Aspektverhältnis gebaut, auf denen noch „EOS M 290“ geschrieben steht, um es noch schwieriger zu machen. Materialise Magics wurde verwendet, um die Baumstützen zu erstellen, die ein maximales Aspektverhältnis von 66 haben (2,5 mm Durchmesser mit einer Höhe von 165 mm). Der darauf befindliche Schriftzug EOS M 290 wurde mithilfe der Materialise 3-matic-Software entworfen und besteht aus einem netzbasierten Gitter mit Volumenlinien im Inneren. Die feine Stützstruktur für das EOS-Logo wurde mit Materialise e-Stage erstellt. Dies erlaubt eine vollautomatische Trägergenerierung und kann dazu beitragen, Material für die Halterung einzusparen und die Zeit für die Datenaufbereitung deutlich zu reduzieren. Alles wurde dann auf einer EOS M 290 mit EOS Aluminum AlSi10Mg und dem neuen AlSi10Mg 60 µm Core-Prozess gedruckt.

Fazit

Für jedes Beschichtungssystem gibt es den passenden Einsatzfall. Der harte Beschichter wird von EOS als Standardoption für Bauteile mit höchsten Anforderungen an eine wiederholbare Qualität betrachtet, während ein weicher Beschichter Teile mit hohen Aspektverhältnissen ermöglicht. Darüber hinaus wird ein Soft-Recoater bevorzugt, wenn die Vorlaufzeit wichtiger als das Risiko von Fehlern ist. EOS bietet sowohl harte als auch weiche Beschichter an, so dass Sie in jedem Fall die für Ihre Anwendung am besten geeignete Ausstattung finden.

„Ein weicher oder ein harter Recoater – das ist hier die Frage“  Ich hoffe, meine Ausführungen waren hilfreich für Sie.

Michael Wohlfart
Key Account Manager Industrial Solutions
EOS GmbH