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Nachbearbeitung

Von Handarbeit bis Ultraschallbad

| Autor/ Redakteur: Barbara Stumpp / Stefan Guggenberger

Erst die Nachbearbeitung sorgt bei einem additiv gefertigten Metallbauteil für eine glatte Oberfläche. Um diese zu erreichen, gibt es verschiedene Möglichkeiten.

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Spezielles Make-up für das AM-Bauteil. Thaletec sorgt mit seiner Beschichtung für die vom Anwender gewünschte Oberflächenqualität.
Spezielles Make-up für das AM-Bauteil. Thaletec sorgt mit seiner Beschichtung für die vom Anwender gewünschte Oberflächenqualität.
( Bild: Thaletec )

Komplexe Geometrien bereiten in der Additiven Fertigung keine Schwierigkeiten – aber glatte Oberflächen. Denn wegen des schichtweisen Aufbaus sind die Oberflächen gestuft, sprich rau. Die Oberflächenqualität eines Bauteils hängt dabei von der jeweiligen Drucktechnik, dem Design und dem Material ab. Unterschiedliche Werkstoffe, Anwendungsfälle und Funktionen des Bauteils sowie komplexe Geometrien erfordern verschiedene Methoden zur Nachbearbeitung. Kunststoffe lassen sich heute schon optisch schön verarbeiten. BMW setzt für seine Bauteile unter anderem flächig arbeitende Drucktechnik ein wie die Multi Jet Fusion von HP. Ein weiteres Verfahren ist Clip (Continuous Liquid Interface Production). Dieses Verfahren, entwickelt von der Firma Carbon 3D, soll um ein Vielfaches schneller sein als bisherige 3D-­Druck-­Methoden und arbeitet mit UV-Licht und Sauerstoff. „AM war bisher ein Eckpfeiler des Rapid Prototyping, nun wird es durch Produktanwendungen beschleunigt”, bemerkt Eric Bredin, Marketingfachmann bei Stratasys. Das Unternehmen kann mit seiner Polyjet-Technik, die eine mikroskopische Schichtauflösung und eine Genauigkeit bis 0,1 mm liefert, glatte Bauteile herstellen.

Anders beim 3D-Metalldruck. Hier lässt sich die Oberflächenqualität nur bedingt über die Prozessführung beeinflussen. Generell hängt die Oberflächenbeschaffenheit vom Aufbauwinkel und somit von der Produktentwicklung ab. Einfluss nehmen unter anderem die Schichtdicke, die Größe des Schmelzbads und die Partikelgröße. „Die Qualität der Oberflächen additiv gefertigter Bauteile aus metallischen Werkstoffen ist vergleichbar mit Guss. Der Maschinenbau ist hier die Nachbearbeitung gewohnt”, stellt Rainer Gebhardt, Leiter der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA, fest. Entsprechend stehen für das Finishing spanende Bearbeitungen wie Fräsen, Schleifen und Polieren, Sand- und Kugelstrahlen, Laserpolieren oder chemisches Polieren zur Auswahl.

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Hybridmaschine oder manuelle Bearbeitung

Hermle kombiniert 3D-Druck und Finishing. „Unser selbst entwickeltes MPA-(Metallpulver-Auftrag)-Verfahren ist letztlich ein thermisches Spritzen, mit dem man den Aufbau massiver Körper mit einem qualitativ hochwertigen Gefüge erreicht”, berichtet Udo Hipp, Leiter Marketing bei Hermle. Bei diesem Verfahren werden die Metallpartikel mittels überhitzten Wasserdampfs mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit auf ein Substrat geschossen. Die Auftrageinheit ist in ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum integriert. Das Material wird schichtweise von der Düse aufgetragen und im Anschluss sorgt das Bearbeitungszentrum für bessere Konturen des Bauteils. Auch bei Joke konzentriert man sich auf die meist manuelle Nachbearbeitung. „Basis unserer Lösung ist das Eneska-Micro, ein Mikromotorsystem mit einer Vielzahl von Motoren und Handstücken. Durch seine hohe Leistung ist häufig auf Druckluft zu verzichten und mit den dazugehörigen Werkzeugen lassen sich die verschiedenen Arbeitsschritte – vom Fräsen bis zur Hochglanzpolitur – bestens durchführen”, berichten Jürgen Meyer und Markus Abstoß, Produktmanager bei Joke.

In der Hybridmaschine von Hermle laufen Materialauftrag und spanende Bearbeitung nacheinander im selben Bearbeitungszentrum. Die Oberflächen werden gefräst.
In der Hybridmaschine von Hermle laufen Materialauftrag und spanende Bearbeitung nacheinander im selben Bearbeitungszentrum. Die Oberflächen werden gefräst.
( Bild: Hermle )

Die mechanische Nachbearbeitung

Bei Jell konzentriert man sich darauf, die mechanische Nachbearbeitung zu vereinfachen. „Ein Ansatz ist ein Nullpunkt-Spannsystem, das sowohl in der Maschine als auch im Post Process für beispielsweise Sandstrahlen, Polieren oder Fräsen, genutzt werden kann”, erklärt Gregor Jell, Inhaber der Jell GmbH & Co. KG. Dazu hat man eine Farbtabelle entwickelt, bei der Teile mit einer bestimmten Farbe je nach Funktion, zum Beispiel Passfläche, im CAD eingefärbt werden. Das garantiert eine klare Kommunikation zwischen Dienstleister und Kunde. Bei Jell hat man festgestellt, dass sich die Dichte des Bauteils erhöht, wenn der Schmauch abgeführt wird. Auch zusätzliche Sensorik, Überwachen des Sauerstoffgehalts und Verwenden von Schutzgas bringen höhere Reinheit im Prozess und damit auch bessere Oberflächen. „Wir sehen die Nachbearbeitung noch als Notwendigkeit, da die Prozesse noch nicht so ausgereift sind, dass man diese umgehen könnte. Für die Zukunft stellen wir uns aber vor, dass Aufbau und Nachbearbeitung mit dem Laser in einer Einheit stattfinden”, so Gregor Jell.

Nasschemische Prozesse für dünne Wände

Bei der Firma Poligrat glättet man nasschemisch. „Ein Problem bei AM-Teilen ist der Übergang von dem ehemals geschmolzenen Metall von innen nach außen zur einer mit Metallpulver durchsetzten Oberfläche mit anhaftendem Pulver. Dazu können sich Legierungen beim Aufschmelzen trennen und die Oberfläche wird zum kleinräumigen Mosaik mit wechselnden Materialeigenschaften”, berichtet Siegfried Pieß­linger-­Schweiger, Geschäftsführer von Poligrat. Das nasschemische Verfahren trägt weniger ab als mechanische. Die Vorteile: Komplexe oder dünnwandige Teile lassen sich oft nicht schleifen und bei inneren Hohlformen helfen nur nasschemische Prozesse. Allerdings wird es nicht so glatt wie mechanisch poliert und bei Edelmetallen funktioniert das Verfahren nicht.

Bei First Surface setzt man MMP Technology (Micromachining Process) ein. „Der Prozess liefert hochspiegelnde Oberflächen mit einer Rauigkeit unter 0,015 µm, und das auf komplexesten Formen und Bauteilen aus härtesten Legierungen”, fasst Andreas Kindelbacher, Geschäftsführer von First Surface, zusammen, einem Joint Venture zwischen EOS und dem Entwickler des Verfahrens Bin-C-Industries. Die Rauigkeit wird dabei in mehreren aufeinander folgenden Prozessstufen reduziert. Die zu bearbeitenden Teile befestigt man an Halterungen und taucht sie in ein Fluid mit Mikrowerkzeugen, die immer nur eine spezifische Rauigkeit entfernen. Ein dreiachsiges Element sorgt für Bewegung zwischen Werkstück und Mikrotools ohne bevorzugte Bearbeitungsrichtung. Gerade Kanäle lassen sich bearbeiten, nicht aber tiefe Bohrlöcher oder U-förmige Kanäle. Von Vorteil ist, dass MMP-Kanten und feine Fäden schont und eine hohe Prozessreproduzierbarkeit bietet.

Eine glatte Oberfläche durch Beschichten

Ein anderer Weg zu glatten Oberflächen ist das Beschichten. Thaletec nutzt hier die Emaillierungen Si-O-Coat als Schutz vor chemischer Korrosion und für eine hohe Oberflächengüte. „Die Auswahl der zur Verfügung stehenden Metallwerkstoffe ist derzeit auf rostfreie Stähle und Nickelbasis-Werkstoffe ausgerichtet, ein wichtiges Werkstoffsegment für die Additive Fertigung”, bemerkt Dr. Jürgen Reinemuth, geschäftsführender Gesellschafter von Thaletec. Die Beschichtung verschmilzt bei maximal 900 °C mit dem Grundwerkstoff und bildet eine diffusionsdichte Schicht von etwa 0,2 mm auf der Oberfläche. Sie hat eine gute chemische Beständigkeit gegen Säuren und Laugen, isoliert thermisch und besitzt eine hohe Oberflächengüte. Der Einbrennprozess verbessert außerdem das Gefüge des AM-Bauteils. „Dabei ist die raue Oberfläche eines AM-Teils durchaus ideal für das Emaillieren. Üblicherweise bereiten wir die Oberfläche aber mit Sandstrahlen auf, für eine optimale Haftung”, so Reinemuth.

Ultraschallbad für Metall und Kunststoff

Der Bedarf an Oberflächenbearbeitung von AM-Teilen fördert auch neue Ideen. So sind einige Start-ups auf dem Weg. Eines dieser jungen Unternehmen ist Post Process, das Anlagen zur automatischen Nachbearbeitung von AM-Teilen aus Kunststoff und Metall entwickelt. Den Prozess beschreibt Geschäftsführer Jeff Mize als ein optimal abgestimmtes Zusammenspiel von Hardware, Software und Chemie. Hier können auch kurvige Kanäle bearbeitet werden. Der Prozess nutzt eine Kombination aus Chemie, Ultraschall und Wärme, gesteuert von einer selbst entwickelten Software. Die Maschine rotiert die Teile mittels eines Sink-float-Prozesses mit gesteuerter Fluidbewegung. „Der Prozess dauert nur etwa 30 Minuten anstatt drei Stunden in einem Waschbad. Ein traditionelles Waschbad hat normalerweise eine konstante Rührgeschwindigkeit, während unsere tauchbare Lösung mehrere Formen der unterschiedlichen Bewegung und Ultraschallbehandlung kombiniert”, berichtet Mize.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MaschinenMarkt erschienen.

* Barbara Stumpp ist freie Journalistin aus 79117 Freiburg

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