Stikstof bij lasersnijden en 3D-printen: toepassing, zuiverheid en dimensionering

Bij lasersnijden en 3D-printen wordt materiaal plaatselijk gesmolten of gesinterd. Zuurstof uit de omgevingslucht reageert bij die temperaturen met het materiaal. Stikstof verdringt de zuurstof uit de proceszone en houdt de procesatmosfeer gecontroleerd. 

In deze blog leest u waarvoor stikstof bij lasersnijden, metaal 3D-printen en kunststof 3D-printen wordt gebruikt, welke stikstofzuiverheid per toepassing gangbaar is en waar u bij de dimensionering van een stikstofinstallatie rekening mee houdt.  

Waarom is stikstof nodig bij lasersnijden en 3D-printen? 

Stikstof is nodig om zuurstof uit de proceszone te verdringen. Zuurstof reageert bij hoge temperatuur met het verwerkte materiaal en vormt oxiden, wat de kwaliteit van de snijkant of het geprinte onderdeel beïnvloedt. Stikstof is onder normale procesomstandigheden inert en reageert bij de meeste industriële toepassingen niet of nauwelijks met het materiaal. 

Bij het lasersnijden van metalen ontstaan ijzer- en chroomoxiden op roestvast staal en aluminiumoxide op aluminium. De snijkant verkleurt en oxideert, waardoor aanvullende nabewerking nodig is en de corrosiebestendigheid wordt beïnvloed. 

Bij metaal 3D-printen beïnvloedt een te hoge zuurstofconcentratie de materiaaleigenschappen en de kwaliteit van het onderdeel. Bij kunststofpoeder leidt langdurige blootstelling aan zuurstof en warmte tot degradatie, waardoor het poeder minder geschikt wordt voor hergebruik. Als beschermgas wordt stikstof of argon toegepast, afhankelijk van het materiaal en het proces. 

Stikstof als snijgas bij lasersnijden 

Stikstof heeft bij lasersnijden drie functies: 

• het verdringt zuurstof rond het snijfront; 

• het voert het gesmolten materiaal uit de snede af; 

• het beschermt de snijzone en de laseroptiek tegen vervuiling. 

Bij roestvast staal en aluminium wordt stikstof toegepast wanneer een schone, zo min mogelijk geoxideerde snijkant vereist is. Bij een juiste procesinstelling kan de snijkant direct verder worden verwerkt, bijvoorbeeld door lassen of coaten. 

De zuiverheid bepaalt hoeveel zuurstof met het snijgas wordt meegevoerd: bij 99,9% N₂ bevat de gasstroom nog circa 1.000 ppm zuurstof, bij 99,999% N₂ ongeveer 10 ppm. Welke zuiverheid nodig is, hangt af van het materiaal, de plaatdikte, de snijsnelheid en de eis aan de snijkant. De specificatie van de lasermachine is daarbij leidend. 

Lasersnijden heeft een hoge stikstofafname, vooral bij hogere snijsnelheden, grotere plaatdiktes en hoge gasdrukken. Een booster en een buffervat houden voldoende druk en capaciteit beschikbaar tijdens piekafnames. 

Stikstof bij metaal 3D-printen: SLM, DMLS en LPBF 

Metaal 3D-printen vraagt een procesatmosfeer met een laag zuurstofgehalte. Technieken als Selective Laser Melting (SLM), Direct Metal Laser Sintering (DMLS) en Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bouwen een onderdeel laag voor laag op uit metaalpoeder. Voor de start wordt de proceskamer gespoeld met een inert gas; tijdens het printen voert een gecontroleerde gasstroom rook, spatten en condensaat uit de laserzone af. 

De zuiverheidseis ligt hoog. Veel systemen werken met stikstof van 99,99% of hoger, al verschilt de exacte specificatie per machine en toepassing. 

Stikstof of argon bij metaal 3D-printen? 

Indicatieve waarden. Leidend zijn de specificaties en de eis die uw eindproduct stelt. 

Stikstofgenerator: wat is het verschil tussen membraan en PSA? 

Het verschil tussen membraan- en PSA-technologie zit in de haalbare zuiverheid, het energieverbruik en het onderhoud. Een stikstofgenerator scheidt stikstof uit omgevingslucht met een van beide technieken. 

Membraantechnologie levert stikstof tot circa 99,6% N₂ en is energiezuinig en onderhoudsarm. Die zuiverheid volstaat voor het inertiseren van poederopslag en voor snijwerk waarbij de snijkant later wordt afgewerkt. PSA-technologie (Pressure Swing Adsorption) levert zuiverheden tot 99,9995% N₂ en wordt toegepast bij lasersnijden met een blanke snijkant en bij metaal 3D-printen. 

Niet alleen de zuiverheid bepaalt de keuze. Ook het benodigde debiet, de werkdruk, het gebruikspatroon en het aantal aangesloten machines zijn bepalend. 

Waar u op let bij het dimensioneren van een stikstofinstallatie 

Capaciteit, werkdruk en piekafname
De eis van de machine en van het eindproduct is bepalend, niet de hoogst haalbare waarde. Flow, zuiverheid en werkdruk bepalen samen de omvang van het systeem. Een te klein gedimensioneerde installatie levert onvoldoende capaciteit tijdens piekafnames; een te groot systeem leidt tot onnodige investerings- en exploitatiekosten. 

Droog en olievrij gas
Vocht en olieresten in het voedingsgas beïnvloeden de proceskwaliteit en veroorzaken bij lasersystemen vervuiling van de optiek. Filtratie en droging conform de relevante klassen uit ISO 8573-1 maken daarom deel uit van een goed ontworpen perslucht- en stikstofsysteem. Welke kwaliteitsklasse nodig is, hangt af van de toepassing en de specificaties van de apparatuur. 

Continuïteit van de gasvoorziening
Een 3D-printjob duurt tientallen uren achtereen. Een onderbreking of een onvoldoende stabiele procesatmosfeer brengt de kwaliteit van de build in gevaar en leidt tot afkeur. Een stikstofgenerator op locatie produceert continu en vermindert de afhankelijkheid van externe gasleveringen en cilinderwissels. 

Veiligheid in de opstellingsruimte
Stikstof verdringt zuurstof, niet alleen in de proceskamer maar ook in de ruimte waarin de generator en het buffervat staan opgesteld. Zuurstofmonitoring en voldoende ventilatie horen daarom bij een veilige installatie en bij de beoordeling van de risico’s in uw RI&E. 

Voordelen van een stikstofgenerator op locatie 

Een stikstofgenerator produceert stikstof uit omgevingslucht, op het moment dat het proces erom vraagt. Dat levert de volgende voordelen op: 

• continue beschikbaarheid, zonder afhankelijkheid van leveringstijden of cilinderwissels; 

• de zuiverheid wordt per toepassing ingesteld op wat het proces vraagt; 

• lagere kosten per Nm³ bij structureel en hoog verbruik; 

• geen huur van cilinders of tanks en geen transportkosten; 

• uitbreidbaar wanneer een extra machine of productielijn wordt toegevoegd. 

Stikstof voor uw laser- of 3D-printproces 

Avilo levert en installeert stikstof- en persluchtsystemen voor de metaal- en maakindustrie. Wij bepalen samen met u de benodigde zuiverheid, druk en capaciteit voor uw machines en leveren complete systemen, inclusief booster, buffervat, filtratie en droging. Neem contact op voor een vrijblijvend adviesgesprek of een kostenindicatie voor uw situatie.