Allgemeine Post-Verarbeitungs- und Veredelungsmethoden für 3D-gedruckte Metallteile

3D-gedruckte Metallteile verlassen die Baukammer selten in ihrem endgültigen, verwendbaren Zustand. Da-bedruckte Oberflächen in der Regel sichtbare Schichtlinien, gesinterte oder teilweise geschmolzene Pulverpartikel aufweisen und Strukturspuren tragen, die behoben werden müssen, bevor ein Teil für den funktionalen Gebrauch, die Montage oder die ästhetische Präsentation bereit ist. Zu den gängigen Endbearbeitungsmethoden für 3D-gedruckte Metallteile gehören manuelles Schleifen, Sandstrahlen, Trommelschleifen, Vibrations-/Zentrifugalschleifen, Schleifflussbearbeitung (Extruderhonen), Galvanisieren und Elektropolieren sowie Präzisionsbearbeitung, Schleifen und EDM (Funkenerosion). Die Besonderheiten jeder Methode werden im Folgenden erläutert.

Beim Schleifen werden Werkzeuge wie Schleifpapier und Feilen verwendet, um die Oberfläche eines Teils direkt von Hand mechanisch abzuschleifen. Dadurch kann die Oberflächenrauheit erheblich verbessert werden. Bei geschliffenen Teilen kann sich die Oberflächengüte um den Faktor drei bis fünf verbessern. Die Methode ist besonders effektiv bei der Entfernung von Schichtlinien, scharfen Kanten und anderen lokalen Oberflächendefekten, die vom Druckprozess zurückgeblieben sind. Manuelles Schleifen ist flexibel - Der Bediener kann seine Aufmerksamkeit genau dort lenken, wo sie benötigt wird, und komplexe Geometrien bearbeiten, die mit automatisierten Prozessen möglicherweise nur schwer zu erreichen sind -, aber es ist vergleichsweise arbeitsintensiv- und langsam. Aus diesem Grund eignet es sich in der Regel am besten für kleine Produktionschargen oder für die gezielte, lokale Endbearbeitung spezifischer Merkmale eines Teils und nicht für die pauschale Behandlung eines gesamten Produktionslaufs.

Beim Sandstrahlen wird Druckluft verwendet, um ein Schleifmedium - unter anderem Aluminiumoxid, Edelstahlperlen oder Glasperlen - mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche eines Teils zu treiben, wodurch je nach ausgewähltem Medium eine gleichmäßig matte oder glänzende Oberfläche entsteht. Zu seinen Vorteilen gehören:

Schnelle Entfernung von Oberflächenkratzern und Werkzeugspuren, die beim Bauprozess entstanden sind;

Keine Änderung der Maßhaltigkeit eines Teils, da die Bearbeitung typischerweise in nur wenigen Minuten abgeschlossen ist;

Einstellbare Behandlungsintensität durch Luftdrucksteuerung - Mit einem niedrigeren Druck können Farbe und Aussehen der Oberfläche verändert werden, während ein höherer Druck das Entgraten scharfer Kanten und kleiner Vorsprünge ermöglicht.

Sandstrahlen eignet sich gut für die Serienbearbeitung von Teilen mit komplexen Geometrien, da das Sprühmuster in Vertiefungen und um Konturen reichen kann, die mit starren Schleifwerkzeugen schwer zugänglich wären, was es zu einer der vielseitigeren und am weitesten verbreiteten Endbearbeitungsmethoden für Metall-AM-Teile macht.

Durch das Trommeln werden Teile zusammen mit einem abrasiven Medium - wie Keramikmedien oder Stahlmedien - in eine rotierende Trommel oder ein rotierendes Fass gebracht, wo mechanische Reibung zwischen den Teilen und dem Medium die Oberfläche im Laufe der Zeit glättet. Zu den Hauptmerkmalen dieser Methode gehören:

Es eignet sich am besten für Teile mit relativ einfachen Geometrien, wie z. B. zylindrische oder blockförmige Komponenten, bei denen durch die Taumelwirkung ein gleichmäßiger Kontakt über die gesamte Oberfläche hergestellt werden kann.

Mehrere Teile können gleichzeitig bearbeitet werden, was dem Verfahren einen relativ hohen Durchsatz für die Serienfertigung verleiht;

Seine Wirksamkeit auf Innenflächen oder komplexen Strukturen ist begrenzt, da das Taumelmedium möglicherweise nicht in interne Kanäle, tiefe Vertiefungen oder komplizierte Gitterstrukturen vordringen kann - eine echte Einschränkung, wenn man bedenkt, wie oft Metall-AM genau zur Herstellung solcher Innengeometrien verwendet wird.

Beim Vibrations- und Zentrifugalschleifen werden Zentrifugalscheiben- oder Zylindersysteme verwendet, bei denen die Zentrifugalkraft Schleifmittel gegen die Teileoberfläche treibt, um eine hoch{0}}intensive Endbearbeitung mit hohem-Volumen zu ermöglichen. Zu seinen Hauptvorteilen gehören:

Schnelle Materialentfernung, wodurch es sich gut zum Polieren, Entgraten und Kantenverrunden eignet;

Eignung für die Stapelverarbeitung kleiner Teile, obwohl die erforderliche Spezialausrüstung vergleichsweise höhere Vorlaufkosten verursacht als einfachere Methoden wie Schleifen oder Trommeln.

Da der Prozess die Energie stärker konzentriert als herkömmliches Taumeln, kann er in wenigen Minuten erreichen, wofür herkömmliches Taumeln Stunden dauern könnte, was ihn für Produktionsumgebungen attraktiv macht, in denen der Durchsatz genauso wichtig ist wie die Oberflächenqualität.

Bei der Schleiffließbearbeitung, auch Extruderhonen genannt, wird ein hydraulischer Kolben verwendet, um ein viskoses Schleifmittel -, das mit feinen Schleifpartikeln - beladen ist, durch die Innenflächen eines Werkstücks, wie Löcher, Kanäle oder Hohlräume, hin und her zu drücken und so eine präzise Formgebung von innen nach außen zu erreichen. Zu den Merkmalen dieser Methode gehören:

Präzise Kontrolle der inneren Oberflächengeometrie, um gleichmäßige Radien zu bilden oder Grate aus inneren Durchgängen zu entfernen;

Anwendbarkeit auf Bereiche, die mit herkömmlichen Polierverfahren nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind - interne Kanäle und komplexe Hohlräume sind ein Paradebeispiel und ein Bereich, in dem der 3D-Metalldruck häufig Geometrien erzeugt, auf die herkömmliche Endbearbeitung einfach nicht zugreifen kann;

Kontrollierbarer Materialabtrag, allerdings ist die Bearbeitungszeit tendenziell länger als bei mechanischen Oberflächenmethoden, da der Schleifmittelfluss wiederholt durch das Teil geleitet werden muss, um das gewünschte Finish zu erzielen.

Beim Galvanisieren wird ein elektrischer Strom verwendet, um Metallionen aus einer Lösung - wie Gold, Silber oder Chrom - auf der Oberfläche eines Teils abzuscheiden und so eine dünne funktionelle oder dekorative Schicht zu bilden. Zu seinen Hauptzwecken gehört die Verbesserung der Verschleißfestigkeit, der Korrosionsbeständigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit und des Gesamterscheinungsbilds. Daher ist es eine häufige Wahl, wenn ein Metall-AM-Teil funktionelle Eigenschaften benötigt, die über das hinausgehen, was das gedruckte Basismaterial allein bieten kann.

Im Gegensatz dazu wird beim Elektropolieren ein elektrischer Strom verwendet, um Material von der Oberfläche eines Teils aufzulösen und so die Oberflächenrauheit durch Glätten mikroskopischer Spitzen und Täler zu verringern. Es eignet sich besonders gut zum Polieren von Teilen mit unregelmäßigen Formen, bei denen mechanische Polierwerkzeuge Schwierigkeiten hätten, einen gleichmäßigen Kontakt aufrechtzuerhalten, und es kann das Erscheinungsbild der Oberfläche erheblich verbessern und reibungsbedingte Oberflächenfehler reduzieren-.

Beide Prozesse erfordern eine sorgfältige Kontrolle der Stromdichte und der Elektrolytzusammensetzung, um konsistente, wiederholbare Ergebnisse zu erzielen. Der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht darin, dass das Galvanisieren ein additiver Prozess ist - Material wird auf der Oberfläche abgeschieden -, während Elektropolieren ein subtraktiver Prozess ist - Material wird von der Oberfläche entfernt. Das Verständnis dieser Unterscheidung ist in der Praxis wichtig, da die Wahl der falschen Unterscheidung für eine bestimmte Toleranzanforderung entweder zu einer unerwünschten Dickenzunahme führen oder mehr Material entfernen kann, als die Maßtoleranz eines Teils tolerieren kann.

Beim Bearbeiten und Schleifen werden CNC-Fräsen, Drehmaschinen und ähnliche Geräte verwendet, um Material direkt von einem Teil abzuschneiden und so eine hochpräzise Maß- und Formkontrolle zu erreichen. Die auf diesem Weg erreichbaren Oberflächengüten können unter Ra 0,8 μm liegen, ein Grad an Glätte, den die meisten -bedruckten oder medienveredelten-Oberflächen allein nicht erreichen können.

Bei der Elektroerosionsbearbeitung (EDM) wird eine elektrische Funkenentladung zwischen einer Elektrode und dem Werkstück zum Erodieren von Material verwendet. Dadurch eignet sie sich gut für die Endbearbeitung von gehärteten Legierungen oder komplexen inneren Hohlräumen, die mit einem Schneidwerkzeug schwer zu erreichen wären. Der Hauptnachteil ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die tendenziell erheblich langsamer ist als bei der herkömmlichen Bearbeitung.

Sowohl das Bearbeiten/Schleifen als auch das Erodieren erfordern spezielle Ausrüstung und erfahrene Bediener und sind im Allgemeinen Teilen mit strengen Toleranzanforderungen vorbehalten. - Luft- und Raumfahrtkomponenten sind ein repräsentatives Beispiel, bei denen Maßgenauigkeit und Oberflächenintegrität sich direkt auf die Leistung und Sicherheitsmargen der Teile auswirken.

Die Auswahl der richtigen Endbearbeitungsmethode für ein 3D-gedrucktes Metallteil hängt von der Strukturgeometrie des Teils, seinen Präzisionsanforderungen und dem Umfang der Produktion ab. Mechanische Methoden wie Schleifen und Sandstrahlen eignen sich gut für die schnelle, allgemeine -Oberflächenbehandlung, bei der die Durchlaufzeit wichtiger ist als das Erreichen engster Toleranzen. Chemische und elektrochemische Methoden wie Elektropolieren und Galvanisieren werden typischerweise zur Verbesserung der Funktionsleistung - Korrosionsbeständigkeit, Leitfähigkeit oder Verschleißeigenschaften - und nicht nur aus rein kosmetischen Gründen gewählt. Hochpräzise Prozesse wie Bearbeitung und Funkenerosion sind Teilen vorbehalten, die strenge Toleranzanforderungen erfüllen müssen, wobei die zusätzlichen Kosten und die Bearbeitungszeit durch die Kritikalität der Anwendung gerechtfertigt sind.

In der realen -Weltproduktion ist es üblich, mehrere dieser Methoden in einem einzigen Endbearbeitungs-Workflow zu kombinieren -, beispielsweise das Sandstrahlen eines Teils, um Oberflächenzunder zu entfernen und sein Erscheinungsbild zu glätten, gefolgt von einer gezielten Bearbeitung kritischer Passflächen und die Endbearbeitung durch Elektropolieren, um sowohl eine glatte Oberfläche als auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit des fertigen Bauteils zu erreichen. Dieser mehrschichtige Ansatz ermöglicht es Herstellern, Kosten, Durchsatz und Endqualität der Teile in Einklang zu bringen, anstatt sich auf eine einzelne Nachbearbeitungsmethode zu verlassen, um alle Anforderungen auf einmal zu erfüllen.