Nacharbeit als Schlüssel zur erfolgreichen additiven Produktion

Mithilfe verschiedenster Geometrie-Features wurden für die gängigsten AM-Werkstoffe zahlreiche Nachbearbeitungsverfahren auf die Anwendbarkeit für komplexe AM-Bauteile geprüft. (Alle Bilder: Fraunhofer IAPT)

Hierbei spielen nicht nur die erreichbaren Oberflächenqualitäten oder die Wirtschaftlichkeit, sondern auch die Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften eine entscheidende Rolle. In mehreren Studien hat die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT daher speziell die Nachbearbeitung von komplexen AM-Bauteilen untersucht und stellt anwendungsnahe Entscheidungshilfen zur Verfügung, um so die Industrialisierung der additiven Produktion weiter voranzutreiben.

Eines der drei Demonstrator-Designs mit verschiedenen Geometrie-Features.

Die Herausforderungen bei der Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen

Unter dem Sammelbegriff der Additiven Fertigung verbergen sich eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren zur schichtweisen Generierung von Bauteilen. Im Metallbereich ist das laser powder bed fusion (LPBF) die etablierteste Variante. Das Verfahren unterliegt, neben vielen Vorteilen, auch einigen Fertigungsrestriktionen hinsichtlich der Auflösung, welche durch die Schichtstärke und die Schmelzbadbreite bestimmt wird. Diese Auflösung und einhergehende Treppenstufeneffekte, Unterschiede im Wärmehaushalt oder die Angliederung einer Stützstruktur beeinflussen dabei die resultierende Oberflächenqualität. Ein AM-Bauteil weist somit meist eine sehr heterogene Oberfläche mit vielen verschiedenen Rauheiten in den unterschiedlichen Bauteilsegmenten auf. Auch stellt die Komplexität ein Problem in Bezug auf die Erreichbarkeit für Schleifmittel oder andere abtragende Medien dar. Sowohl die Heterogenität als auch die gewonnene Designfreiheit von AM-Bauteilen stellen damit höchste Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Nachbearbeitungsverfahren.

Rauheit der betrachteten Verfahren an den Seitenflächen eines Titangeometriedemonstrators.

Welches Nachbearbeitungsverfahren ist geeignet?

Das Fraunhofer IAPT hat sich zum Ziel gesetzt, einen möglichst umfassenden Überblick über die Stärken und Schwächen von derzeitigen Marktlösungen zur Oberflächenglättung von AM-Bauteilen zu erarbeiten, um dem Anwender eine Entscheidungshilfe für ein geeignetes Nachbearbeitungsverfahren zu geben. Dazu wurden insgesamt acht verschiedene Glättungsverfahren unter gleichen Bedingungen und Voraussetzungen untersucht. Neben bereits stark etablierten Verfahren waren auch relativ junge Verfahren und Sonderanwendungen Teil der Untersuchungen.

Die intensive Aufbereitung der Messergebnisse gibt dem Anwender eine leichtverständliche Entscheidungshilfe zur Auswahl des richtigen Nachbearbeitungsverfahrens.

Diese Materialien und diese Merkmale wurden untersucht

Um bei den Untersuchungen auch werkstoffspezifische Unterschiede zu ermitteln, wurden die drei etablierten Legierungen AlSi10Mg , 1.4404-Stahl und TiAl6V4 gewählt und hinsichtlich der Kriterien Oberflächenrauheit, Härte, Abtragsrate, Kantenverrundung, Eindringtiefe, Lesbarkeit und Kosten geprüft. Hierfür wurden drei spezielle Geometriedemonstratoren entwickelt, welche durch ein passendes Design eine Vielzahl an unterschiedlichen Formen sowie eine einfache Auswertung der Proben ermöglichen.

Je nach Anforderung gilt es das passende Nachbearbeitungsverfahren für AM-Bauteile zu finden. Ebenso wie der Druckprozess selbst hat die Oberflächennachbearbeitung einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Fertigteils.

Auszüge aus den Ergebnissen

Die Ergebnisse der Studien geben einen detaillierten Einblick in die Stärken und Schwächen der einzelnen Verfahren in Hinblick auf die untersuchten Kriterien. Es zeigte sich, dass sich durch die Wahl eines geeigneten Nachbearbeitungsprozesses die Oberfläche des Titangrundkörpers maßgeblich verbessern lässt. Während die Rauheit mit Hilfe von klassischem, abrasiven Strahlen bereits mehr als 50 Prozent auf ca. 7 µm (mittlere arithmetische Höhe) reduziert wurde, konnten durch andere Verfahren sogar Rauheiten von bis zu 1 µm erreicht werden. An diesem beispielhaften Auszug der Studieninhalte werden auch die deutlichen Unterschiede zwischen innen- und außenliegenden Flächen sichtbar, welche die Zugänglichkeit für die jeweiligen glättenden Medien und damit auch die Eignung eines Verfahrens für eine bestimmte Geometrie und Anwendung verdeutlichen.

Diese und zahlreiche weitere Ergebnisse sowie eine Einordnung der Kosten und Skalierbarkeit der Verfahren sind in der IAPT-Studie erhältlich und sollen durch eine unabhängige und transparente Ausarbeitung eine leichtverständliche Entscheidungshilfe für alle Anwender der Additiven Fertigung, Konstrukteure, Entwicklungs- und Fertigungsingenieure bieten.

Optik ist nicht alles!

Neben den bereits betrachteten Kriterien sind aber auch die Auswirkungen der Nachbearbeitungsverfahren auf die mechanischen Eigenschaften von zentraler Bedeutung für die Auswahl des passenden Prozesses. Aus diesem Grund befindet sich aktuell eine weitere IAPT-Studie in der Ausarbeitung, welche sich der Untersuchung der Einflüsse von Nacharbeitsverfahren auf die Dauerfestigkeit der Bauteile widmet. Eine Partizipation am Studienverlauf ist bereits jetzt vor der Veröffentlichung der Ergebnisse im November 2020 möglich. Bei Interesse wenden Sie sich an das Surface Team des Fraunhofer IAPT.