Lösungen für das Oberflächenfinish von additiv hergestellten Metallteilen

AM Post Processing – sicher und automatisiert

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Die Bandbreite der Drucktechnologien und Materialien für das Additive Manufacturing (AM) nimmt ständig zu. Die Reinigung und das Oberflächenfinish stellen bei gedruckten Metallteilen allerdings häufig noch eine Herausforderung dar. Neue und weiterentwickelte Verfahren ermöglichen es, die Nachbearbeitung prozesssicher, reproduzierbar und automatisiert durchzuführen. Doris Schulz

Autorin:

Die additive Metallverarbeitung entwickelt sich derzeit rasant. Inzwischen stehen neben den am weitesten verbreiteten Methoden Laserschmelzverfahren (SLM/DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen Verfahren zur Verfügung, die auf binderbasierten Systemen wie beispielsweise dem Metallspritzguss (MIM) beruhen. Diese Drucktechnologien ermöglichen, das Bauteil unter anderem aus klassischen MIM-Pulvern aufzubauen und anschließend zu sintern oder auch MIM-gebundene Metallstäbe aufzuschmelzen.

Die Oberflächenqualität des Bauteils hängt zwar von der Drucktechnik, dem Design und dem Werkstoff ab, eine Nachbearbeitung ist in den meisten Fällen jedoch unverzichtbar. Es fallen dabei unterschiedlichste Aufgaben an. Sie reichen vom Entfernen von Bauplatten, Stützstrukturen und Restpulver über die Bearbeitung der meist rauen Oberfläche, beispielsweise Glätten, Polieren und Verrunden, bis zur Reinigung der Werkstücke, um die für nachfolgende Prozesse (z. B. Beschichten, Verkleben, Schweißen) erforderliche Sauberkeit zu erzielen. Bei diesen Fertigungsschritten wird teilweise häufig noch auf Handarbeit gesetzt. Das Resultat sind hohe Kosten und Zeitverluste sowie eine fehlende Reproduzierbarkeit des Ergebnisses.

Reproduzierbare und effiziente Nachbearbeitung

Erster Schritt bei pulverbettbasierten Verfahren ist nach der groben Entfernung des Pulvers, wofür Vibrationsanlagen mit gezielter Schwingungsanregung und automatischem Schwenken des Bauteils zur Verfügung stehen, das Abtrennen der Werkstücke von der Bauplatte. Dies kann durch Erodieren oder Sägen erfolgen, wobei je nach eingesetztem Verfahren Grate und eine Verunreinigung durch ein Kühlschmiermittel entstehen, die ebenfalls wieder zu entfernen sind.

Um angesinterte Pulverpartikel und Stützstrukturen schnell und prozesssicher zu entfernen, stehen verschiedene Lösungen zur Verfügung. So ermöglicht beispielsweise eine Plug-and-play-Maschine die voll automatisierte Entfernung von angesinterten Partikeln und Stützstrukturen in einem Arbeitsschritt. Das Verfahren basiert auf einem chemisch-elektrochemischen Prozess, bei dem die Werkstücke gleichzeitig ohne Verlust der Kantenschärfe geglättet werden. Eine Weiterentwicklung für die Entfernung der Stützstrukturen von Teilen, die in der DMLS-Technik hergestellt wurden, ist das Advanced T.E.M. (Thermal Energy Method). Mit diesem Verfahren lassen sich Supports selbst in unzugänglichen Bereichen, beispielsweise in Kanälen oder Hinterschneidungen, innerhalb weniger Sekunden entfernen.

Geht es darum, anhaftendes Restpulver zu entfernen, bieten sich einerseits nasschemische Reinigungsverfahren mit Ultraschall oder zyklischer Nukleation (CNp) und auf den Werkstoff abgestimmten wässrigen Medien oder Lösemitteln an. Andererseits lässt sich diese Aufgabe mit einem neu entwickelten Strahlverfahren lösen. Es basiert auf einem Wasserstrahlprozess, der kombiniert mit einem schwach abrasiven Strahlmedium durchgeführt wird. Durch die Abstimmung der Parameter wie beispielsweise Art und Größe des Strahlmediums, Wasserdruck und Dauer der Behandlung sowie Teilebewegung lässt sich sicherstellen, dass auch in komplexen Geometrien und Hinterschnitten eine vollständige Entpulverung stattfindet, ohne dass Strahlmittel zurückbleibt und Konturen verändert werden. Als trockene Alternative für die Entfernung von Restpulver kommt unter anderem das CO2-Schneestrahlen zum Einsatz. Mit dem Verfahren, das sich einfach automatisieren lässt, können die Pulverpartikel ebenfalls aus filigranen Konturen, Hinterschneidungen und komplexen Geometrien eliminiert werden.

Oberflächenfinish bauteilgerecht und
schnell durchführen

Ob Glätten, Polieren, Verrunden oder die Erzeugung definierter Kanten, bei außen liegenden, gut zugänglichen Oberflächen kann dies wie bei konventionell gefertigten Werkstücken durch Fräsen, Erodieren, Läppen, Gleitschleifen oder Laserpolieren erfolgen. Bei den innen liegenden Konturen und Flächen sowie den schwer zugänglichen Bereichen 3D-gedruckter Teile stoßen diese Verfahren jedoch schnell an Grenzen. Entsprechend wurden bestehende Technologien auf die Anforderungen additiv gefertigter Teile hin weiterentwickelt beziehungsweise optimiert.

Dazu zählen Gleitschliffprozesse mit individuell an die Aufgabe angepassten Verfahrensmitteln. Sie ermöglichen, dass die gewünschte Glättung und das erforderliche Finish – von hochglänzenden bis zu matten, satinierten Oberflächen – innerhalb kurzer Behandlungszeiten erreicht wird. Für Bauteile, deren Oberflächen unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen haben, lassen sich entsprechend angepasste Anlagenausführungen realisieren, sodass nur die relevanten Werkstückbereiche in die Schleifkörpermasse eingetaucht werden.

Für die Bearbeitung additiv gefertigter Metallteile ausgelegt ist auch das ECM-Verfahren Coolpulse. Es basiert wie das klassische ECM-Bearbeiten auf den Prinzipien der anodischen Auflösung von Metall. Allerdings kommt hier ein spezieller, pH-neutraler und umweltfreundlicher Elektrolyt zum Einsatz. Mit dem Verfahren lassen sich die Mikro- und Makrostrukturen an Innen- und Außenflächen in einer Bearbeitung verbessern, wobei definierte Oberflächeneigenschaften reproduzierbar erzeugt werden. Darüber hinaus können Reste von Stützstrukturen ebenso entfernt werden wie Oberflächendefekte. Als weitere Bearbeitungsalternative stehen speziell für das Oberflächenfinish 3D-gedruckter Teile angepasste elektrochemische Verfahren und Prozesse wie das Elektropolieren zur Verfügung. Diese Bearbeitungsvariante ermöglicht das Glätten und Polieren auch in filigranen „Tälern“ der Werkstücke, die scharfkantig bleiben. Die Bearbeitungszeiten von elektrochemischen Verfahren liegen im Bereich weniger Stunden.

Das Strömungsschleifen, auch Abrasive Flow Machining (AFM) oder Druckfließläppen genannt, ist ebenfalls ein Verfahren, das für das Oberflächenfinish von 3D-gedruckten Metallteilen eingesetzt wird. Für den Prozess wird das Teil in einer Vorrichtung der AFM-Maschine fixiert. Das Bearbeitungsmedium – ein Trägermaterial in definierter Viskosität mit eingebetteten Schleifkörpern, die in Art, Größe und Konzentration an die jeweilige Aufgabe angepasst sind – strömt durch hydraulisch angetriebene Kolben unter definiertem Druck in wechselnder Richtung durch beziehungsweise über den/die zu bearbeitenden Bauteilbereich/e. Für ein reproduzierbares Ergebnis werden Prozessparameter kontinuierlich überwacht.

Zahl und Möglichkeiten der automatisierten Nachbearbeitungsprozesse wachsen kontinuierlich. Es empfiehlt sich jedoch, bereits bei der Bauteilkonstruktion die verfügbaren Post-Processing-Lösungen im Blick zu haben, mit denen die später geforderten Oberflächeneigenschaften erzielt werden können.


Deburring Expo

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