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Arbeitssicherheit bei additiver Fertigung

Sicherheit beim Laserstrahlschmelzen

| Autor/ Redakteur: Christian Bay / Joscha Riemann

Durch den Einsatz additiver Fertigungstechnologien steigt die Relevanz der Arbeitssicherheit. Nur der ganzheitliche Blick hilft, Prozesse beim Laserstrahlschmelzen möglichst sicher zu gestalten.

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Bei der Anwendung jedes additiven Fertigungsverfahren gilt es, die material- und verfahrensspezifische Gefährdungen zu beachten.
Bei der Anwendung jedes additiven Fertigungsverfahren gilt es, die material- und verfahrensspezifische Gefährdungen zu beachten.
(Bild: Pixabay)

Bei der Anwendung jedes additiven Fertigungsverfahren gilt es, die material- und verfahrensspezifische Gefährdungen zu beachten. Die Ausgangswerkstoffe für das Laserstrahlschmelzen (LBM) sind Metallpulver, die aufgrund deren Partikelgrößenverteilung als einatembar und lungen- bzw. alveolengängig (E-Fraktion bzw. A-Fraktion) eingestuft werden [1, 2]. Dies gilt insbesondere für Metallpulver mit einer Partikelgröße unterhalb der gängigen Partikelgrößenverteilung zwischen 15 µm und 60 µm [3]. Für diese Metallpulver gelten spezifische Grenzwerte der maximalen Akzeptanz- und Staubkonzentration [2, 4–6]. Zusätzlich sind die gängigen Metallpulver mit geringer Dichte, wie Titan, Aluminium sowie deren Legierungen, reaktiv (Abbildung 1).

Abbildung 1: Vergleich der Mindestzündenergie von Stoff-Luft-Gemischen mit der durch elektrostatische Aufladung in einer Person gespeicherten Energie [8,9]
Abbildung 1: Vergleich der Mindestzündenergie von Stoff-Luft-Gemischen mit der durch elektrostatische Aufladung in einer Person gespeicherten Energie [8,9]
(Bild: Universität Bayreuth)

Weitere Metallpulver, wie Stähle oder andere nickelhaltige Legierungen, sind als Stoff mit kanzerogener, mutagener und reproduktionstoxischer Wirkung (KMR) eingestuft [5].

Beim Fertigungsverfahren des Laserstrahlschmelzens treten nicht nur beim schichtweisen Bauteilaufbau, sondern auch bei den vor- und nachgelagerten Prozessschritten Gefährdungen auf. In Abbildung 2 ist eine typische LBM-Prozesskette mit den werkstoffspezifischen Gefährdungen (leichtentzündlich, krebserregend und gewässergefährdend) dargestellt. Das spezifische Risiko dieser Gefährdungen muss entsprechend der genutzten Anlagen und Werkstoffe sowie der Prozessinfrastruktur individuell bewertet werden.

Abbildung 2: Typische LBM-Prozesskette mit werkstoffspezifischen Gefährdungen
Abbildung 2: Typische LBM-Prozesskette mit werkstoffspezifischen Gefährdungen
(Bild: Universität Bayreuth)

Auf Basis der Gefährdungen entlang der Prozesskette sowie bei Reinigungsarbeiten werden in der VDI 3405 6.1 Empfehlungen für eine anwendersichere Prozessgestaltung gegeben. Darüber hinaus werden Gestaltungsansätze der Arbeiten bei Reinigung, Wartung, Umbau und Instandhaltung empfohlen.

Ganzheitliche Bewertung der Gefährdungen entlang der LBM-Prozesskette

Aufbauend auf einer ganzheitlichen Bewertung der LBM-Prozesskette wurden an der Universität Bayreuth anlagen- und werkstoffspezifische Konzepte zur Pulverhandhabung entwickelt und bewertet. Der Fokus liegt dabei auf der anwendersicheren Handhabung des reaktiven Werkstoffs Ti6AlV4. Die Rangfolge der Schutzmaßnahmen zur Minimierung der Gefährdungen erfolgt nach dem STOP-Prinzip: Substitution, Technische, Organisatorische, Persönliche Schutzmaßnahmen. Die Umsetzungsstrategie basiert auf den Schwerpunkten Prozess, Räumlichkeit sowie Mitarbeiterschutz.

Abbildung 3: Handhabung des Metallpulvers unter Verwendung Persönlicher Schutzausrüstung
Abbildung 3: Handhabung des Metallpulvers unter Verwendung Persönlicher Schutzausrüstung
(Bild: Universität Bayreuth)

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. Im Rahmen des Brand- und Explosionsschutzes wurde das Labor mit automatischen temperatursensitiven Sensoren ausgestattet. Zusätzlich wurde eine Gassensorik installiert, um austretendes Schutzgas und andere Prozessgase detektieren zu können. Weiterhin ist bei einer erhöhten Restgefährdung entsprechende Persönliche Schutzausrüstung (PSA) zu tragen (vgl. Abbildung 3).

Abbildung 4 fasst die möglichen Gefährdungen noch einmal zusammen:

Abbildung 4: Gefährdungen beim LBM [10]
Abbildung 4: Gefährdungen beim LBM [10]
(Bild: Universität Bayreuth)

Arbeitssicherheit muss mit technologischer Innovativität Schritt halten

Die VDI-Richtlinie 3405 6.1 beschreibt die Gefährdungen der LBM-Prozesskette und gibt Empfehlungen. Diese Empfehlungen müssen auf die vorliegenden infrastrukturellen, produktionstechnischen sowie baulichen Rahmenbedingungen adaptiert werden. Deshalb arbeitet die Universität Bayreuth in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IPA daran, die Richtlinie auf andere technologische und baulichen Herausforderungen zu übertragen und die dabei erlangten Erkenntnisse als industriellen Standard zu etablieren. Durch eine Gestaltung der Arbeitsplätze und Prozesse entsprechend der 5S-Methodik des Lean-Managements soll die Sicherheit, Sauberkeit und Ordnung weiter erhöht werden [7]. Um eine anwendersichere Prozessgestaltung, insbesondere von sporadischen Prozessen, wie beispielsweise dem Wechsel der Umluftfilter, sicherzustellen, sollen insbesondere diese durch sogenannten Arbeitsfolgekarten standardisiert werden. Weiterhin sollen diese Prozesse videotechnisch aufgezeichnet, sowie über Smart Devices zugänglich gemacht werden.

Die getroffenen Schutzmaßnahmen sollten regelmäßig auf ihre Relevanz und Durchführbarkeit überprüft werden, sodass der Standard der Arbeitssicherheit stets mit der technologischen Innovativität der additiven Fertigung Schritt halten kann.

VDI 3405 6.1 „Anwendersicherheit beim Betrieb der additiven Fertigungsanlagen: Laser-Strahlschmelzen von Metallpulvern“

Aufgrund der Diversität der Gefährdungen sowie fehlender Langzeituntersuchungen der Exposition auf den menschlichen Körper besteht bei Nutzern von Anlagen zum Laserstrahlschmelzen oftmals Unklarheit über die Relevanz und Anwendbarkeit bestehender Vorschriften und Richtlinien. „Der Fachausschuss FA 105.6 Additive Manufacturing – Sicherheit beim Betrieb additiver Fertigungsanlagen“ befasst sich mit einem einheitlichen Vorgehen, um den sicheren Betrieb additiver Fertigungsanlagen zu gewährleisten. Mit Experten der Hersteller additiver Fertigungsanlagen, industriellen Anwendern dieser Technik sowie Vertretern von Dienstleistern, Universitäten und Forschungseinrichtungen werden die Gefährdungen beim Betrieb additiver Fertigungsanlagen beleuchtet und daraus praxisnahe Empfehlungen abgeleitet. Dazu wurde unter Mitwirkung der Universität Bayreuth die VDI 3405 Blatt 6.1 „Additive Fertigungsverfahren; Anwendersicherheit beim Betrieb der Fertigungsanlagen; Laser-Strahlschmelzen von Metallpulvern“ entwickelt und wird Ende des Jahres 2019 veröffentlicht. Die Richtlinie VDI 3405 6.2 „Additive Fertigungsverfahren; Anwendersicherheit beim Betrieb der additiven Fertigungsanlagen; Laser-Sintern von Kunststoffen“ erscheint Ende des Jahres 2019 als Entwurf.

Über den Autor: Christian Bay (M.Sc.) ist Akademischer Rat a.Z. und Arbeitsgruppenleiter Additive Fertigung am Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik an der Universität Bayreuth.

Literatur

[1] TRGS 504:Tätigkeiten mit Exposition gegenüber A- und E-Staub, 2016.

[2] Arbeitsplatzatmosphäre, DIN 481:1993, 1993.

[3] Additive Fertigungsverfahren – Anwendersicherheit beim Betrieb der Fertigungsanlagen – Laser-Strahlschmelzen von Metallpulvern, VDI 3405 6.1 Entwurf, 2018.

[4] TRGS 900: Arbeitsplatzgrenzwerte, 2006.

[5] TRGS 559: Mineralischer Staub, 2010.

[6] TRGS 910: risikobezogenes Maßnahmenkonzept für Tätigkeiten mit krebserzeugenden Gefahrstoffen, 2014.

[7] Institut für Angewandte Arbeitswissenschaft, 5S als Basis des kontinuierlichen Verbesserungsprozesses. Berlin, Heidelberg: Springer Vieweg, 2016.

[8,9] Zentrum für Arbeitssicherheit der Berufsgenossenschaft Rohstoffe und Chemische Industrie, Grundlagen des Explosionsschutzes, 2013 // Berufsgenossenschaft Rohstoffe und chemische Industrie, Vermeidung von Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen, 2016

[10] VDI 3405 6.1 Entwurf, 2018

Der Beitrag ist zuerst erschienen auf unserem Schwester-PortalMission Additive.

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