10 Décembre 2019  |  Finition de surface
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 03/2019

Oberflächenfinish additiv hergestellter Metallteile

Doris Schulz

Die Bandbreite der Drucktechniken und Materialien für die additive Fertigung nehmen 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 durchführen.

L’éventail des techniques d’impression et des matériaux destinés à la fabrication additive est en pleine croissance. Toutefois, le nettoyage et la finition de surface représentent encore souvent un défi pour les pièces métalliques imprimées. De nouveaux procédés permettent d’effectuer le travail de finition de manière fiable, reproductible et automatisée.

Die additive Metallverarbeitung entwickelt sich derzeit rasant. Inzwischen stehen neben den am weitesten verbreiteten Methoden Laserschmelzverfahren (SLM/DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen auch Verfahren zur Verfügung, die auf binderbasierten Systemen wie beispielsweise dem Metallspritzguss (MIM) beruhen. Diese Drucktechniken ermöglichen es, das Bauteil unter anderem aus klassischen MIM-Pulvern aufzubauen und anschliessend zu sintern oder auch MIM-gebundene Metallstäbe aufzuschmelzen.
 
Bei additiv gefertigten Teilen ist eine Nachbearbeitung der Oberfläche meistens unverzichtbar. Dafür stehen inzwischen unterschiedliche automatisierte und automatisierbare Verfahren zur Verfügung, mit denen sich die erforderliche Oberflächengüte reproduzierbar erzielen lässt. (Bild: Rösler)
 

Die Bauteiloberfläche bearbeiten – eine facettenreiche Aufgabe
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.
 
Die Entfernung von Restpulver kann beispielsweise durch nasschemische Reinigungsprozesse mit Ultraschall erfolgen. (Bild: Fraunhofer IGCV/Bernd Müller)
 
 
 
Reproduzierbare und effiziente Nachbearbeitung
Erster Schritt bei pulverbettbasierten Verfahren ist nach der groben Entfernung des Pulvers, für das 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 vollautomatisierte 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 Hinterschneidungen 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 diesem Verfahren, das sich einfach automatisieren lässt, können die Pulverpartikel ebenfalls aus filigranen Konturen, Hinterschneidungen und komplexen Geometrien eliminiert werden.
 
Diese Plug-and-Play-Lösung ermöglicht das schnelle und prozesssichere Glätten und Polieren der Oberflächen metallischer AM-Teile. Die Ausstattung der Anlage wird ebenso wie die Verfahrensmittel an die jeweilige Aufgabenstellung angepasst. (Bild: Rösler)
 
 
Oberflächenfinish – bauteilgerecht und schnell durchführen
Ob Glätten, Polieren, Verrunden oder die Erzeugung definierter Kanten, bei aussenliegenden, gut zugänglichen Oberflächen kann dies wie bei konventionell gefertigten Werkstücken durch Fräsen, Erodieren, Läppen, Gleitschleifen oder Laserpolieren erfolgen. Bei den innenliegenden Konturen und Flächen sowie den schwer zugänglichen Bereichen 3D-gedruckter Teile stossen diese Verfahren jedoch schnell an Grenzen. Entsprechend wurden bestehende Techniken 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, so dass nur die relevanten Werkstückbereiche in die Schleifkörpermasse eingetaucht werden.
 
Die Konturen dieses Mixer-Bauteils wurden in einem AFM-Prozess geglättet und poliert.
 

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.
 
Um die geforderten Eigenschaften zu erzielen, wurden die Oberflächen dieses Ventilblocks nach dem Druck im «Coolpulse»- und AFM-Verfahren bearbeitet. (Bild: EOS/Extrude Hone)
 
 
Das Strömungsschleifen, auch Abrasive Flow Machining (AFM) oder Druckfliessläppen genannt, ist ebenfalls ein Verfahren, das für das Oberflächenfinish 3D-gedruckter Metallteile eingesetzt wird. Für den Prozess wird das Teil in einer Vorrichtung der AFM-Maschine fixiert. Das Bearbeitungsmedium ist ein Trägermaterial in definierter Viskosität mit eingebetteten Schleifkörpern, die in Art, Grösse und Konzentration an die jeweilige Aufgabe angepasst sind. Es strömt durch hydraulisch angetriebene Kolben unter definiertem Druck in wechselnder Richtung durch beziehungsweise über die zu bearbeitenden Bauteilbereiche. Für ein reproduzierbares Ergebnis werden Prozessparameter kontinuierlich überwacht.
Die Anzahl 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 sich die später geforderten Oberflächeneigenschaften erzielen lassen.
 
DeburringEXPO - Leitmesse für Entgrattechnik und Präzisionsoberflächen
Welche Verfahren ermöglichen die prozesssichere und wirtschaftliche Nachbearbeitung additiv gefertigter Teile? Welche neuen Techniken stehen dafür zur Verfügung? Welche Kriterien sind bei der Auswahl des optimal geeigneten Verfahrens zu beachten? Antworten auf diese und viele weitere Fragen bietet die «DeburringEXPO» vom 8. bis 10. Oktober 2019 auf dem Messegelände Karlsruhe (D).
Das Ausstellungsportfolio umfasst Anlagen, Systeme und Werkzeuge für das Bandschleifen, Bürsten, Strömungsschleifen (Druckfliessläppen), Gleitschleifen, Strahlen mit festen und flüssigen Medien, Strahlspanen, magnetabrasives Feinentgraten, Ultraschallentgraten, chemisches Badentgraten, elektrochemisches Entgraten (ECM), Elektronenstrahlentgraten, thermisch-chemisches Entgraten (TEM), mechanisches Entgraten, Polierläppen, Polierhonen, elektrolytisches Polieren, Plasmapolieren, Laserpolieren, Tauch- und Bürstpolieren, Lösungen für die industrielle Bauteilreinigung, Mess-, Prüf- und Analysesysteme für die Qualitätskontrolle sowie Fachliteratur.
 
 
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