Oberflächentechnik Tauchgleitläppen ermöglicht präzise additiv gefertigte Bauteile

Autor / Redakteur: J. Polte, M. Polte, T. Hocke, C. Lahoda, E. Uhlmann / Peter Königsreuther

Additive Fertigungsmethoden ermöglichen die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile mit höchster geometrischer Flexibilität. Doch ihre Oberflächenqualität lässt oft zu wünschen übrig. Per Tauchgleitläppen kann sie jedoch verbessert werden.

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Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
(Bild: TU Berlin)

Additive Fertigungsmethoden ermöglichen die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile mit höchster geometrischer Flexibilität. So ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Strömungs- sowie Kühltechnologien, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar wären. Limitiert sind die verfügbaren additiven Fertigungsverfahren allerdings hinsichtlich der herstellbaren Oberflächenrauheiten im Bereich von 5 μm ≤ Ra ≤ 15 μm, was sich besonders negativ auf die tribologischen Verhältnisse auswirkt [SPE54].

Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
(Bild: TU Berlin)

Gleichzeitig wachsen aber die Anforderungen an den Prozess sowie an das Werkstück, wodurch stetig neue Anwendungsbereiche erschlossen sowie innovative Prozessketten erforderlich werden [UHL16].

Für martensitaushärtende Stahllegierungen etwa, die insbesondere im Werkzeug- und Formenbau genutzt werden, haben sich pulverbettbasierte Verfahren wie das Laser Powder Bed Fusion etabliert [STO16].

Der bisherige Stand der Dinge

Nach aktuellem Stand der Technik reduziert man in der Praxis die Oberflächenrauheit von additiv gefertigten Bauteilen dann durch spanende und abtragende Bearbeitungsverfahren [KUM18]. Diese Prozesse gehen aber mit starken Anpassungen des Verfahrens an die jeweilige Bauteilgeometrie einher. Dies erklärt sich mit dem bei additiv gefertigten Bauteilen oft auftretenden thermischen Verzug, durch den die reale Bauteilgeo­metrie von der gewünschten Geometrie abweicht [MUG19]. Somit muss mit Blick auf die konventionellen spanenden und abtragenden Verfahren zunächst die Realgeometrie erfasst werden, was aber auf Kosten der Wirtschaftlichkeit geht. Eine Möglichkeit, um dieser Herausforderung zu be­gegnen, ist die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile mittels Tauchgleitläppen.

Das experimentelle Vorgehen

Das übergeordnete Ziel der Entwicklungen ist es, eine Prozesskette zur präzisen Oberflächennachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile aus der martensitischen Stahllegierung des Typs 1.2709 bereit zu stellen. Deshalb wurde zunächst der Einfluss der Prozess­parameter untersucht. Die Herstellung der additiv gefertigten Bauteile erfolgte mithilfe des Verfahrens Laser Powder Bed Fusion, wobei eine Maschine des Typs SLM 250 HL der SLM Solutions- Group AG aus Lübeck verwendet wurde.

Die Nachbearbeitung der gefertigten Bauteile ist mit der Tauchgleitläppanlage DF-3 Tools der von der Otec Präzisionsfinish GmbH aus Straubenhardt realisiert worden. Als Probengeometrie dienten zylindrische Grundkörper mit einem Durchmesser von d = 10 mm. Hierbei wurde zur Fertigung der Metallpulverwerkstoff Amperprint 1556.074 von der Högäns GmbH aus Goslar genutzt, der eine maximale Korngröße dmax = 45 μm aufweist. Zusätzlich wurde mit den in Tabelle 1 gezeigten Prozess­parametern verwendet.

Tabelle 1: Diese Parameter wurden für den additiven Fertigungsprozess eingestellt.
Tabelle 1: Diese Parameter wurden für den additiven Fertigungsprozess eingestellt.
(Bild: TU Berlin)

Um eine applikationsgerechte Prozesskette zur Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen aus der martensitischen Stahl­legierung des Typs 1.2709 zu entwickeln, wurden zunächst auf Basis ausgewählter Prozess­parametersätze Untersuchungen durchgeführt und die jeweiligen Einflüsse analysiert. Darauf aufbauend wurde ein mehrstufiger Prozess in Abhängigkeit von unterschiedlichen Läppmedien realisiert, um eine effiziente Bearbeitung der untersuchten Probengeometrie zu ermöglichen. Dies umfasste die Läppmedien QZ, HSC 1/500 und M 5/400. Eine Auswahl der verschiedenen Läppmedien erfolgte anhand der spezifischen Herstellerangaben sowie durchgeführten Voruntersuchungen. Die Zusammensetzung und Korngrößen dK der eingesetzten Läppmedien sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Die einzelnen Läppmedien und die zugehörigen Korngrößen.
Tabelle 2: Die einzelnen Läppmedien und die zugehörigen Korngrößen.
(Bild: TU Berlin)

Zur Untersuchung der Einflüsse der Prozessparametersätze wurde zunächst das abrasive vollkeramische Läppmedium QZ mit einer großen Korngröße von dk = 500 μm verwendet, um die entsprechenden Effekte zu analysieren. Zur Realisierung einer de­finierten Nachbearbeitung der zylindrischen Grundkörper sind die Eintauchtiefe tE, die Bearbeitungsdauer tB und die Drehzahl n, welche aus der Halterdrehzahl nH und der Rotordrehzahl nR zusammengesetzt ist, variiert worden. Die Ermittlung der Oberflächenrauheits-Kennwerte erfolgte mit dem taktilen Rauheitsmessgerät des Typs nanoscan 855 der Jenoptik AG aus Jena. Die Abhängigkeit zwischen den gewählten Prozess­parametersätzen und dem arithmetischen Mittenrauwert Ra ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Die Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit für das verwendete Läppmedium Aluminiumoxid.
Bild 2: Die Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit für das verwendete Läppmedium Aluminiumoxid.
(Bild: TU Berlin)

Die Resultate der Versuche

Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Erhöhung der Rotordrehzahl nR als auch der Halterdrehzahl nH zu einer effektiven Verbesserung des arithmetischen Mittenrauwerts Ra führen. Dabei ist bis zu einer Bearbeitungszeit von tB ≤ 10 min eine signifikante Reduzierung des arithmetischen Mittenrauwerts Ra um etwa 30 Prozent feststellbar. Danach stellt sich ein Sättigungsniveau ein, wobei eine geminderte Reduzierung des arithmetischen Mittenrauwerts Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit tB erkennbar ist. Dieser Effekt ist dabei auf den Einfluss des Läppmediums und die Limitierung einer weiteren Reduzierung der Oberflächenrauheits- Kennwerte aufgrund der eingesetzten Korngröße dK zurückzuführen.

Darüber hinaus weist die Eintauchtiefe tE ebenfalls einen positiven Effekt auf. Bei Erhöhung der Eintauchtiefe tE können reduzierte arithmetische Mittenrauwerte Ra identifiziert werden. Dieser Effekt ist insbesondere bei längeren Bearbeitungszeiten tB ≥ 30 min nachweisbar.

Zur weiteren gezielten Reduzierung der Oberflächenrauheits- Kennwerte der martensitischen Stahllegierung des Typs 1.2709 und der Entwicklung einer applikationsgerechten Prozesskette wurde auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse die Bearbeitung um zwei weitere Läppmedien ergänzt. Dabei werden die Versuchsproben zunächst mit dem grobkörnigen Läppmedium QZ vorbearbeitet und diese anschließend mit weiteren Bearbeitungsstufen unter Berücksichtigung reduzierter Korngrößen dk tauchgleitgeläppt. Dazu sind das Läppmedium HSC 1/500, welches aus einer Mischung aus Walnussschalen-Granulat und Siliziumcarbid besteht, sowie das Medium M 5/400, welches aus mit Diamantpartikeln versetztem Maisbruchgranulat besteht, eingesetzt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Bild 3 dargestellt. Der arithmetische Mittenrauwert der Versuchswerkstücke betrug im Ausgangszustand Ra = 14,73 μm (siehe Aufmacherbild).

Bild 3: Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit und den Läppmedien.
Bild 3: Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit und den Läppmedien.
(Bild: TU Berlin)

Fazit und Ausblick

Das übergeordnete Ziel der Untersuchung war die Bereitstellung einer Prozesskette zur präzisen Oberflächennachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen aus der martensitaushärtenden Stahllegierung des Typs 1.2709. Dazu wurde zunächst der Zusammenhang zwischen den Prozessgrößen Rotordrehzahl nR, Halterdrehzahl nH, Eintauchtiefe tE, Bearbeitungszeit tB und des arithmetischen Mittenrauwerts Ra analysiert.

Darauf aufbauend wurde ein mehrstufiger Prozess in Abhängigkeit von unterschiedlichen Läppmedien realisiert, um eine effiziente Bearbeitung der untersuchten Probengeometrie zu ermöglichen. Aus den Untersuchungen ist ersichtlich, dass der arithmetische Mittenrauwert Ra durch eine dedizierte Kombination mehrerer Läppmedien signifikant reduziert werden kann. Damit konnte eine effiziente Prozesskette, bestehend aus der endkonturnahen Additiven Fertigung und dem Tauchgleitläppen zur Nachbearbeitung der martensitischen Stahllegierung des Typs 1.2709, entwickelt werden. Zudem wurde eine Reduzierung des arithmetischen Mittenrauwerts Ra von circa 80 Prozent erreicht. Auf Basis der Erkenntnisse konnte die Prozess­technologie auf komplexe Bauteile übertragen werden. Dafür wurde in den Untersuchungen als anwendungsrelevante Komponente eine Staudrucksonde gewählt, welche grundlegend im Bereich der Strömungs- und Kühltechnologie zum Einsatz kommt. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Prozesskette auf industriell relevante Bauteile applizierbar ist und die Verfahrenskombination aus Additiver Fertigung und Tauchgleitläppen über ein erhebliches Potenzial zur Nachbearbeitung verfügt. In weiterführenden Untersuchungen sollen die Zusammenhänge bei der Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile weiter erforscht werden, wobei auch der Einfluss der Komplexität der Bauteilgeometrien auf das Bearbeitungsergebnis zu berücksichtigen ist.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM MaschinenMarkt veröffentlicht.

Literaturverzeichnis

[KUM18] Kumbhar, N. N.; Mulay, A. V.: Post Processing Methods used to Improve Surface Finish of Products which are Manufactured by Additive Manufacturing Technologies: A Review. J. Inst. Eng. India Ser. C 99 (2018) 4, S. 481 – 487.

[MUG19[ Mugwagwa, L.; Investigation and management of residual stresses in selective laser melting of maraging steel. Stellenbosch, Südafrika, PhD Thesis, 2019. URL: http://scholar.sun.ac.za/handle/10019.1/105857.

[SPE54[ Speidel, L.; Einfluß der Oberflächenrauhigkeit auf die Strömungsverluste in ebenen Schaufelgittern, Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesens A 20 (1954) S. 129 – 140.

[STO16[ Stoll, P.; Spierings, A.; Wegener, K.; Polster, S.; Gebauer, M.: SLM Processing of 14 Ni (200 Grade) Maraging Steel. 3rd Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference (2016).

[UHL16] Uhlmann, E.; Mullany, B.; Biermann, D.; Rajurkar, K.P.; Hausotte, T.; Brinksmeier E.: Process chains for high-precision components with micro-scale features. CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 65, Issue 2 (2016), p. 549 – 572.

* Prof. Eckart Uhlmann ist Fachgebietsleiter Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik an der Technischen Universität Berlin, Dr.-Ing. Mitchel Polte ist Oberingenieur, Toni Hocke ist Gruppenleiter Mikrozerspanung und Christian Lahoda ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin. Dr.-Ing. Julian Polte ist Abteilungsleiter Fertigungstechnologien und Produktionsmaschinen und Anlagenmanagement am Fraunhofer IPK in Berlin.

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