Verfahren des 3-D-Drucks

Bei der additiven Fertigung - inzwischen wird 3-D-Druck häufig als synonymer Begriff verwendet - wird aus einem dreidimensionalen digitalen Modell ein physisches Objekt hergestellt. Dafür wird das Bauteil durch schichtweises Hinzufügen von Material aufgebaut. Das kommt einem natürlichen Wachstumsprozess nahe und ermöglicht es, komplexe Bauteil-Geometrien, wie z. B. organische Strukturen (s. Abbildung 1) oder Hohlräume, herzustellen. Im Gegensatz dazu wird bei den subtraktiven Verfahren, z. B. dem Drehen oder Fräsen, ausgehend von einem Rohteil Material bis zur gewünschten Bauteilgeometrie abgetragen. Anders als bei der additiven Fertigung lassen sich damit komplexe Bauteil-Geometrien nur schwer oder gar nicht erzeugen.

Abbildung 1: Lampenschirm, der eine Zellstruktur darstellt. Gedruckt mit einem 3-D-Drucker im Fused Layer Modeling-Verfahren

In der Industrie finden die additiven Fertigungsverfahren in einer Vielzahl an Bereichen Anwendung. In der Luft- und Raumfahrt kommen die Verfahren z. B. vermehrt für die Herstellung von Kleinserien zum Einsatz. Vorrangig werden hier die pulverbettbasierten Verfahren eingesetzt. Im Vergleich zu den traditionellen Fertigungsverfahren können - aufgrund der hohen Designfreiheit - Bauteile mit deutlich geringerem Gewicht hergestellt werden. Weitere industrielle Einsatzbereiche sind u. a. die Automobilindustrie, die Medizintechnik und der Werkzeugformenbau. Additive Fertigungsanlagen im industriellen Bereich erzielen zwar eine hohe Bauteilqualität, erfordern jedoch eine intensive Schulung des Personals. Für die Anwendung in Büroumgebungen kommen meist sogenannte Desktopgeräte (s. Abbildung 2) zum Einsatz. Mit diesen können Bauteile, z. B. Prototypen, Modelle oder Ersatzteile, mit ausreichend hoher Bauteilqualität hergestellt werden. [A]

Abbildung 2: Beispiel für einen Desktop-3-D-Drucker

Es gibt verschiedene additive Fertigungsverfahren. Ausgehend vom Ausgangszustand des Werkstoffs sind die einzelnen Verfahren in Abbildung 3 den sieben Prozesskategorien nach DIN EN ISO/ASTM 52900 [B] zugeordnet. Die Verfahren unterscheiden sich vorrangig im Material, das eingesetzt wird und dem Wirkprinzip, mit welchem die einzelnen Materialschichten erzeugt und verbunden werden. Zudem variiert die erzielbare Bauteilqualität zwischen den Verfahren.

Überblick über die gängigen additiven Fertigungsverfahren und den üblicherweise verwendeten Materialien nach [B] und [C]

Abbildung 3: Überblick über die gängigen additiven Fertigungsverfahren und den üblicherweise verwendeten Materialien nach [B] und [C]

Sicherheit im Umgang mit 3-D-Druckern

In Abhängigkeit von der Technologie, die dem additiven Fertigungsverfahren zugrunde liegt, ergeben sich unterschiedliche prozessbedingte Gefährdungen. Diese sollten im industriellen Bereich im Sinne des präventiven Arbeitsschutzes und im privaten Bereich im Sinne der Benutzersicherheit bereits bei der Auswahl eines 3-D-Druckers Berücksichtigung finden.

Mit einer Gefährdungsbeurteilungen müssen dann die Risiken für die betreffenden Mitarbeiter ermittelt und entsprechende Schutzmaßnahmen abgeleitet werden. Die Fachkräfte für Arbeitssicherheit sollen hierbei die Unternehmer bzw. die für das Betreiben von 3-D-Druckern Verantwortlichen unterstützen. Die Vielzahl von Technologien, Verfahren und eingesetzten Materialien erfordern dabei ein fundiertes Hintergrundwissen.

Besonders in Bereichen, die zuvor keinen Kontakt mit derartigen Gefährdungen hatten, muss entsprechend sensibilisiert werden. Denn auch für die Aufstellung von Desktopgeräten in Büroumgebungen müssen geeignete Maßnahmen, z. B. ausreichende Belüftung oder gegebenenfalls Installation einer Absaugeinrichtung, getroffen werden, um die Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten zu gewährleisten.

Bereits vor dem Kauf eines 3-D-Druckers sollten beim Hersteller die Anforderungen für die Aufstellung der Anlage in Erfahrung gebracht werden. Dazu zählt der Platzbedarf des 3-D-Druckers, der sich aus dessen Abmessungen sowie dem notwendigen Mindestabstand zu nebenstehenden bzw. umgebenden Objekten ergibt. Dies ist z. B. für eine ausreichende Luftzirkulation nötig und um zu vermeiden, dass sich der 3-D-Drucker überhitzt. Es ist empfehlenswert, dass 3-D-Drucker in einem Raum aufgestellt werden, in dem sich keine Arbeitsplätze befinden, die dauerhaft genutzt werden. Hierbei geht es darum, Geruchsbelästigung und eine Belastung aus der Atemluft zu vermeiden, um nicht unnötig möglichen Emissionen ausgesetzt zu sein. In diesem Zusammenhang ist die Belüftung des Raumes, in dem der 3-D-Drucker aufgestellt werden soll, zu überprüfen. Da es im Druckprozess zu Partikelemissionen kommen kann, ist gegebenenfalls für eine geeignete Absaugeinrichtung zu sorgen.

Darüber hinaus sollten die folgenden Anforderungen vor dem Kauf eines 3-D-Druckers auf Erfüllung überprüft werden:

• Hersteller des 3-D-Druckers.
  Handelt es sich dabei um eine Firma, die bereits über mehrjährige Erfahrung bei der Herstellung von 3-D-Druckern verfügt? Ist eine (kostenfreie) Servicehotline angegeben, die bei Fragen oder Problemen kontaktiert werden kann? Wird die Konformität mit europäischen Richtlinien durch Konformitätserklärung bestätigt?
• Wird eine Betriebsanleitung mitgeliefert und ist sie in deutscher Sprache verfasst? Enthält die Betriebsanleitung die erforderlichen Hinweise (Sicherheit, Aufstellung, Betrieb, Wartung, Reinigung und Störungsbeseitigung)?
• Ist das Typenschild des 3-D-Druckers mit den vorgeschriebenen Mindestangaben versehen?
• Bezeichnung der Maschine, Baujahr
• Firmenname und vollständige Anschrift des Herstellers oder dessen Bevollmächtigten in der Europäischen Gemeinschaft
• CE-Kennzeichnung
• Baureihen- oder Typenbezeichnung, gegebenenfalls die Seriennummer
• Leistungsparameter und Anschlusswerte

Abbildung 4: Beispiel für einen pulververarbeitenden 3-D-Drucker mit zugehöriger Entpackstation.

Neben dem eigentlichen 3-D-Drucker sind unter Umständen weitere Anlagen bzw. Vorrichtungen für die Vor- und Nachbereitung des Druckprozesses erforderlich. Bei den pulverbasierten Verfahren zählen dazu z. B. sogenannte Entpackstationen (s. Abbildung 4), in denen das Bauteil von überflüssigen Pulverpartikeln befreit wird. Hier sind ebenfalls die Anforderungen an die Aufstellung zu beachten.

Bei einigen der additiven Fertigungsverfahren kommen im Druckprozess und der Nachbearbeitung Gefahrstoffe zum Einsatz. Für die Lagerung und Handhabung der Gefahrstoffe sind im industriellen Bereich die Anforderungen seitens des Gesetzgebers zu berücksichtigen und geeignete Maßnahmen zu treffen [E]. Ein sicherer Umgang mit den Materialien muss gewährleistet sein.

Nachfolgend werden ausgewählte Gefährdungspotenziale und Sicherheitsaspekte aufgeführt, die im Umgang mit 3-D-Druckern berücksichtigt werden sollten. Dabei wird kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben, sondern es sollen vielmehr in das Thema einführende Hinweise gegeben werden.

Verfahren der Werkstoffextrusion

Bei der Verwendung eines FLM-Druckers wird das Ausgangsmaterial bis zu seiner Schmelztemperatur erhitzt. Als Material kommt meist Kunststoff zum Einsatz, der in einer drahtähnlichen Form, dem sogenannten Filament, vorliegt.

• Bei der Erhitzung des Materials entstehen Ausdünstungen. Diese können in Form von Partikeln oder als gasförmige Substanz auftreten. Wenn nicht für eine ausreichende Belüftung gesorgt wird, können sich diese in der Atemluft anreichern, was bei einigen der einsetzbaren Materialien zu Gesundheitsbeeinträchtigungen führen kann [D].
• Für die Erhitzung des Druckmaterials sind Temperaturen um 200 Grad Celsius notwendig. Verfügt der 3-D-Drucker über keine Einhausung, sollte darauf geachtet werden, dass keine Gegenstände in den Bauraum des Druckers hineinragen oder Personen in den Druckraum greifen können. Durch die hohen Temperaturen an der Extrusionsdüse des Druckers könnten sich andernfalls die Gegenstände entzünden bzw. Verbrennungen verursacht werden. Dies gilt auch für den Reinigungsvorgang und die Wartung des 3-D-Druckers.
• Durch die sehr dünnen Materialschichten, die beim 3-D-Druck aufgetragen werden, nimmt der Druckvorgang mitunter mehrere Stunden in Anspruch. Dennoch sollte der Drucker nicht unbeaufsichtigt oder gar über Nacht betrieben werden. Ein Störfall, z. B. eine Überhitzung der Extrusionsdüse oder ein Softwarefehler, kann einen Brand verursachen. Zudem sind einige Druckmaterialien besonders entzündlich. Vorsorglich einen Rauchmelder sowie einen Feuerlöscher in der Nähe des 3-D-Druckers zu installieren, kann im Ernstfall Leben retten.
• Hinsichtlich der Druckmaterialien sollte überprüft werden, ob Informationen zu der Materialbezeichnung, den Materialeigenschaften und den notwendigen Druckeinstellungen durch den Hersteller bereitgestellt werden. Zudem ist es wichtig, dass Sicherheitshinweise zur richtigen Verwendung des Materials aufgeführt werden. Genaue Angaben zur Materialbezeichnung, der Zusammensetzung des Materials, möglichen Gefahren, die von dem Material ausgehen können sowie Maßnahmen, die im Umgang mit dem Material zu treffen sind, werden im Sicherheitsdatenblatt aufgeführt. Dieses wird durch viele der namenhaften Materialhersteller bereits auf deren Homepage zum Download bereitgestellt. Ohne derartige Angaben sollte Druckmaterial nicht verwendet werden. Denn wird das Material z. B. über die Selbstentzündungstemperatur erhitzt, kann dies zu einem Brand führen.

Pulverbasierte Verfahren des 3-D-Drucks

Nachfolgend sind einige Sicherheitsaspekte aufgeführt, die bei den pulverbasierten Verfahren von Bedeutung sind. Die Aufführung soll lediglich einführende Hinweise geben und ersetzt keine gründliche Gefährdungsbeurteilung. Da pulverbasierte Verfahren Produkte mit hoher Festigkeit erzeugen können, haben sie für die industrielle Praxis eine hohe Bedeutung.

• Die feinen Partikel des pulverförmigen Materials können über die Atemwege in den menschlichen Körper gelangen. Die Gefährdungspotenziale, die von dem verwendeten Pulver ausgehen können, sind zu ermitteln und die geltenden Grenzwerte (Arbeitsplatzgrenzwerte) einzuhalten [E]. Oft enthält das zu schmelzende Pulver Schwermetalle und wird als krebserzeugender Gefahrstoff eingestuft. Hier ist das Sicherheitsdatenblatt des Pulvers die grundlegende Informationsquelle. Selbst wenn das 3-D-Druckverfahren als geschlossener Prozess ausgeführt ist, müssen die Punkte
  - Reinigung des gedruckten Produkts von Pulverresten,               
  - Umgang mit Pulver beim Nachfüllen und Reinigung der Anlage,            
  - Lagerung und Entsorgung        
  beachtet werden.          
  Hier gelten die Vorgaben der Gefahrstoffverordnung.
• Es ist besonders wichtig, auf staubarmes Arbeiten zu achten. Eine mögliche Gefahr, die von Stäuben ausgehen kann, ist die Explosionsgefahr. Deswegen sind Reinigungsarbeiten mit einem geeigneten Staubsauger (gegebenenfalls explosionsgeschützter Staubsauger erforderlich) oder durch feuchtes Wischen durchzuführen. Um eine hohe Staubbelastung durch Verwirbelungen zu vermeiden, ist Kehren oder das Verwenden von Druckluft verboten [E].
• Der eigentliche Druckprozess der pulverbettbasierten Verfahren findet unter Schutzgasatmosphäre im dicht abgeschlossenen Bauraum statt. Mit einer Gefahrstoffexposition ist insbesondere bei der Druckvor- und Drucknachbereitung zu rechnen. So sind z. B. bei Befüllvorgängen sowie Reinigungs- und Wartungsarbeiten geeignete Schutzmaßnahmen zu treffen. Es kommen zum Teil reaktive Metallpulver zum Einsatz, hier besteht eine erhöhte Explosionsgefahr [F].

Verfahren der Photopolymerisation

Abbildung 5: Mittels Stereolithografie hergestelltes Modell (3DBenchy) zum Testen der Druckqualität.

Bei der Photopolymerisation härten flüssige lichtempfindliche Kunstharze schichtweise mittels einer Lichtquelle aus. Im Nachgang zum Druckprozess wird das Bauteil von überschüssigem, nicht ausgehärtetem Kunstharz befreit. Dafür wird ein Lösungsmittel, meist Isopropanol, verwendet.

• Sowohl bei den eingesetzten Kunstharzen als auch bei Isopropanol handelt es sich um Gefahrstoffe. Diese können z. B. zu Gesundheitsschäden (Reizung der Haut und Augen) sowie zu Explosionsgefährdungen führen. Daher müssen geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden. Im Sicherheitsdatenblatt des Materials sind Angaben hierzu enthalten.
• Für die Lagerung der Gefahrstoffe sind die Anforderungen an den Lagerort und die zulässige Menge zu berücksichtigen. Gegebenenfalls sind geeignete Vorrichtungen zu installieren.
• Abhängig von der Strahlungsquelle, die für die Aushärtung des Kunstharzes verwendet wird, kann das Gas Ozon entstehen. Dann ist eine Absaugung aus dem Arbeitsraum des 3-D-Druckers vorzusehen.

­­Sicherheit der 3-D-gedruckten Produkte

Auch hinsichtlich der durch 3-D-Druck erzeugten Produkte gibt es Einiges zu beachten. Mittels 3-D-Druck hergestellte Produkte, die im Rahmen einer Geschäftstätigkeit in Verkehr gebracht werden, müssen den gesetzlichen Anforderungen an die Produktsicherheit entsprechen (z. B.  Produktsicherheitsgesetz). Insbesondere Akteure, die bisher nicht als Produkthersteller aufgetreten sind, sollten sich über die damit verbundenen Pflichten informieren.

Hierbei geht es insbesondere um Beschaffenheitsanforderung der entstehenden Produkte. Beim 3-D-Druck wird das Material schichtweise aufgetragen, dadurch werden die Materialeigenschaften des gedruckten Objekts beeinflusst. Dazu zählt z. B. der Kraftfluss, welcher den Weg der Kraft vom Punkt der Krafteinleitung bis zur Stelle der Wirkung der Kraft darstellt. Dies ist beispielsweise beim Druck einer Aufhängung, die einem Gewicht (also der Gewichtskraft) standhalten soll, relevant. Ebenso hat die Ausrichtung des Objekts im Bauraum und die damit verbundene Richtung der Materialschichten einen Einfluss auf die Eigenschaften des Objekts. Die Herstellung von z. B. Ersatzteilen oder Werkzeug oder anderen Objekten, die Belastungen ausgesetzt sind, sollte nicht ohne entsprechende Kenntnisse erfolgen.

Weiterführende Informationen

Weitergehende Informationen zur Auswahl eines FLM-Druckers und was es dabei zu berücksichtigen gilt, z.B. ob ein offenes oder geschlossenes System sinnvoll ist, finden Sie in:

• Schmauder, K. Höhn, I.-L. Hilgers, B. Meyer, S. Schreiber:3-D-Druck und Produktsicherheit: Informationen für private Verwender, 1.Auflage. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2018.

Weitergehende Informationen für Hersteller und andere geschäftsmäßige Nutzer des 3-D-Drucks sowie zu rechtlichen Rahmenbedingungen finden Sie unter:

• Meyer, S. Schreiber, M. Schmauder, K. Höhn, I.-L. Hilgers:3-D-Druck und Produktsicherheit: Informationen für Hersteller und andere geschäftsmäßige Nutzer. 1. Auflage. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2018.

• Schmauder, K. Höhn, I.-L. Hilgers, B. Meyer, S. Schreiber: 3-D-Druck: Praxisgrundlagen zu Produktsicherheit und Rechtsrahmen.1.Auflage. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin 2018.

Die Berufsgenossenschaft Energie Textil Elektro Medienerzeugnisse (BG ETEM) hat in ihrem Magazin etem in den Ausgaben 04.2017 bis 01.2018 verschiedene 3-D-Druckverfahren vorgestellt und insbesondere Aspekte des Arbeitsschutzes beleuchtet. Die entsprechenden Ausgaben finden Sie unter:

• https://www.bgetem.de/medien-service/etem-magazin-fuer-praevention-rehabilitation-und-entschaedigung/etem

Aktuelle Aktivitäten des VDI zum Thema Additive Fertigung:

• https://blog.vdi.de/2017/01/additive-fertigungsverfahren-im-vdi-e-v/

Literatur

[A]      Gebhardt, A.: Additive Fertigungsverfahren. Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. 5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. München: Hanser 2016

[B]      DIN EN ISO/ASTM 52900:2017-06: Additive Fertigung – Grundlagen – Terminologie (ISO/ASTM 52900:2015); Deutsche Fassung EN ISO/ASTM 52900:2017. Berlin: Beuth Verlag 2017

[C]       VDI-Richtlinie 3405 2014-12: Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibung. Berlin: Beuth Verlag 2014

[D]      House, R.; Rajaram, N.; Tarlo, S.: Case report of asthma associated with 3D printing. In: Occupational Medicine (67), Oxford University Press, 2017, S. 652-654

[E]       Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) vom 26.11.2010 idF vom 29.03.2017. Verordnung zum Schutz vor Gefahrstoffen.

[F]       Schmid, D; Schmutzler, C.; Schreiber, S.; Anstätt, C.; Zäh, M.: Arbeitssicherheit in der der pulverbasierten Additiven Fertigung. In: Rapid.Tech – International Trade Show & Conference for Additive Manufacturing Proceedings of the 13th Rapid.Tech Conference Erfurt, Germany, 14 – 16 June 2016, Hrsg.: Kniffka, W.; Eichmann, M.; Witt, G.. München: Hanser 2017

Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Martin Schmauder, Dr.-Ing. Katrin Höhn, Dipl.-Ing. Inga-Lisa Hilgers

Professur für Arbeitswissenschaft

Institut für Technische Logistik und Arbeitssysteme

Technische Universität Dresden