Art der Gefährdungen ist stark verfahrensabhängig

Arbeitssicherheit für die additive Fertigung

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Die additive Fertigung gewinnt immer mehr an Bedeutung. Um diese aber in der industriellen Produktion einsetzen zu können, kommt der Arbeitssicherheit eine bedeutende Rolle zu. Das Wichtigste im Überblick.

Autoren: Alexander Mahr/Fraunhofer IPA, Christian Bay/Universität Bayreuth

Bei jedem additiven Fertigungsverfahren sind material- und technologiespezifische Gefährdungen entlang der Prozesskette zu beachten. So können Gefährdungen bei der Fertigung selbst oder bei vor- und nachgelagerten Prozessschritten wie der Entfernung von Stützstrukturen auftreten. Die Art der Gefährdungen und deren Gefährdungsklasse sind stark verfahrensabhängig. Diese reichen von einer erhöhten Arbeitsplatzkonzentration an flüchtigen und gesundheitsschädlichen Gasen und Partikeln bei der Materialextrusion bis hin zu Gefährdungen durch die Verarbeitung reaktiver und krebserregender Metallpulver beim Laserstrahlschmelzen.

Materialextrusion oder Fused Layer Manufacturing (FLM)

Bei der Materialextrusion wird ein Bauteil durch das Ablegen eines strangförmigen, thermoplastischen Materials mittels einer bewegten Düse Schicht für Schicht aufgebaut. Bei der additiven Fertigung mit Materialextrusion treten insbesondere Gefährdungen durch die Emission von ultrafeinen Partikeln (UPF) und flüchtig organischen Verbindungen (VOC) auf. Diese entstehen beim Schmelzvorgang des Materials. Bei vielen FLM-Anlagen können die Anforderungen der Arbeitssicherheit durch einfache technische Maßnahmen umgesetzt werden. So können FLM-Anlagen gekapselt und die Abluft gezielt über einen HEPA-Filter geführt werden. Darüber hinaus können die Verarbeitungstemperaturen der Materialien limitiert werden, um die Gas- und Partikelemission zu minimieren.

Laserstrahlschmelzen oder
Laser Beam Melting (LBM)

Beim Laserstrahlschmelzen treten nicht nur beim schichtweisen Bauteilaufbau, sondern auch bei den vor- und nachgelagerten Prozessschritten Gefährdungen auf. Dabei stellt vor allem die Nutzung von metallischen Materialien eine hohe Gefährdung dar. Typischerweise werden beim Laserstrahlschmelzen Metallpulver mit einer Partikelgrößenverteilung zwischen 15 µm und 60 µm genutzt. Dabei resultieren aus der Partikelgröße und der chemischen Zusammensetzung der Metallpulver zwei Arten von Gefährdungen.

  • Zum einen sind die Metallpulver aufgrund ihrer Partikelgröße einatembar und alveolengängig. Dies ist insbesondere bei Stählen oder anderen nickelhaltigen Legierungen kritisch, welche als Stoff mit kanzerogener, mutagener und reproduktionstoxischer Wirkung (KMR) eingestuft sind.
  • Zum anderen gelten einige der eingesetzten Metallpulver als explosionsfähiger Feststoff. Je geringer die Dichte des Metallpulvers ist (z. B. Legierungen auf Basis von Titan und Aluminium), desto höher ist die Gefahr von Verpuffungen und Staubexplosionen.

Die Rangfolge der Schutzmaßnahmen zur Minimierung der Gefährdungen erfolgt nach dem STOP-Prinzip (Substitution, Technische, Organisatorische, Persönliche Schutzmaßnahmen). So kann durch eine räumliche Trennung oder Kapselung der LBM-Anlage und der Peripherie der Expositionsraum des Materials und der Gefährdungen begrenzt werden. Durch die Installation einer Lüftungsanlage mit einer individuell zu ermittelnden Luftwechselrate sowie der Durchführung aller Prozessschritte unter Potentialausgleich wird die Gefahr von Staubexplosionen minimiert.

Weiterhin ist die Handhabung mit Metallpulver unter größter Sorgfalt und staubarm sowie – wenn möglich – unter Schutzgas durchzuführen. Zur Detektion von austretendem Schutz- oder Prozessgas sollte eine Gassensorik installiert werden. Zusätzlich ist bei einer erhöhten Restgefährdung entsprechende persönliche Schutzausrüstung zu tragen.

TAE – Technische Akademie Esslingen e.V.

https://www.tae.de


TAE-Fachtagung am 4. Dezember

Über das Thema Arbeitssicherheit bei der additiven Fertigung sprechen Alexander Mahr (Fraunhofer IPA, Projektgruppe Prozessinnovation Bayreuth) und Christian Bay (Universität Bayreuth, Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik) auch auf der Fachtagung Additive Manufacturing am 4. Dezember 2019. Die Fachtagung organisiert die TAE mit unserem Schwestermagazin „additive“.



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