Welche Probleme werden 3D-gedruckte Metallteile haben, wenn keine Nachbearbeitung erfolgt-?

1. Oberflächenfehler: eine Kettenreaktion von „Rauheit“ bis hin zu „Funktionsversagen“.
3D-gedruckte Objekte aus Metall weisen zunächst meist eine schlechte Oberflächenqualität auf, mit großen Problemen wie Schichtbildung, Graten und Porosität. Beispielsweise werden beim SLM-Verfahren (Selective Laser Melting) Schichten übereinander gestapelt, um Teile herzustellen. Dadurch entsteht ein großer „Stufeneffekt“ auf der Oberfläche des Gegenstands, der ihn rauer macht als die Standardbearbeitung, die eine Rauheit (Ra-Wert) von 10–20 Mikrometern aufweist, was viel höher ist als die 0,8–3,2 Mikrometer der herkömmlichen Bearbeitung. Diese raue Oberfläche verändert nicht nur das Aussehen, sondern verursacht auch eine Reihe funktionaler Probleme:

Spannungskonzentration und Bruchauslösung: Oberflächenfehler können zu Spannungskonzentrationen führen, die die Ausbreitung von Rissen beschleunigen, wenn das Material belastet oder erhitzt wird. Beispielsweise beträgt die Ermüdungslebensdauer einer Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks vor dem Sandstrahlen nur 30 % der erwarteten Lebensdauer. Nach dem Sandstrahlen steigt die Ermüdungslebensdauer auf über 90 %.
Geringere Korrosionsbeständigkeit: Die raue Oberfläche erleichtert das Eindringen korrosiver Materialien. Beispielsweise zeigten Teile aus unpoliertem 316L-Edelstahl innerhalb von 24 Stunden nach dem Salzsprühtest Anzeichen von Korrosion. Nach dem elektrolytischen Polieren konnten die Teile jedoch mehr als 500 Stunden lang der Korrosion standhalten.
Höherer Reibungskoeffizient: Wenn zwei Oberflächen in Kontakt sind und aneinander gleiten, hat die Oberflächenrauheit einen direkten Einfluss darauf, wie gut die Reibung funktioniert. Wenn die Getriebewellenteile eines bestimmten Autos nicht mit höchster Präzision bearbeitet wurden, stieg der Reibungskoeffizient auf 0,15, was bedeutete, dass der Energieverbrauch um 12 % stieg. Nach der ultrapräzisen Bearbeitung sank der Reibungskoeffizient auf 0,03 und der Energieverbrauch sank auf den Designwert.
2, 2, Interne Mängel: Vom „verborgenen Killer“ zum „katastrophalen Scheitern“, einer versteckten Krise
Während des Metall-3D-Druckprozesses können thermische Spannungen und die mangelnde Verbindung zwischen Pulver und Metall zu Problemen wie innerer Porosität und Rissen führen. Wenn diese Fehler bei der Nachbearbeitung nicht behoben werden, werden die Teile dadurch sehr unzuverlässig.

Zu viel Porosität: Eine Studie ergab, dass Ti-6Al-4V-Teile, die nicht heißisostatisch gepresst (HIP) wurden, eine Porosität von 0,5 % bis 1 % aufweisen können. Nach der HIP-Behandlung kann die Porosität auf weniger als 0,01 % reduziert werden. Eine hohe Porosität kann dazu führen, dass ein Teil weniger dicht ist, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass es bei dynamischer Belastung bricht.
Eigenspannungen sind außer Kontrolle: Während des Druckens kann das Teil Eigenspannungen aufbauen, wenn es sich schnell erwärmt und abkühlt. In einer Situation bei der Herstellung von Formen verzogen sich Teile, die vor der Verwendung nicht spannungs-entlastet wurden, und veränderten ihre Form, was bedeutete, dass die Form weggeworfen werden musste. Nach dem Glühen verbesserte sich die Formstabilität der Teile um 90 %.
Organisation, die nicht gleichmäßig ist: Der Pulverbettschmelzprozess kann dazu führen, dass die Größe der Körner an verschiedenen Stellen des Teils stark variiert. Die lokale Korngröße erreichte 100 Mikrometer, wenn ein bestimmter Teil der Flugzeugstruktur nicht mit einer Lösung behandelt wurde. Doch nach der Lösungsbehandlung wurde die Korngröße gleichmäßiger, zwischen 20 und 30 Mikrometer, und die Ermüdungsbeständigkeit stieg um das Dreifache.
3. Leistungsabfall: Der Leistungsunterschied zwischen „Entwurfskonformität“ und „tatsächlichem Ausfall“
Auch wenn die geometrischen Abmessungen der Teile die Designkriterien erfüllen, kann ihre mechanische Leistung dennoch deutlich unter den Erwartungen liegen, wenn keine Nachbearbeitung erfolgt:

In einer Studie wurden unbehandelte und wärme-behandelte Teile aus 316L-Edelstahl untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit unbehandelter Teile dem Designwert entsprach, die Dehnung jedoch nur 60 % des Designwerts betrug. Nach der Wärmebehandlung erreichte die Dehnung wieder den Designwert.
Die Härte ist nicht gleichmäßig verteilt: Teile, die mit der Direct Energy Deposition (DED)-Technik hergestellt wurden, weisen häufig Härtegradienten auf. Die Oberflächenhärte eines bestimmten Formeinsatzes betrug vor der Nitrierbehandlung nur 35 HRC, stieg nach der Behandlung jedoch auf 58 HRC und die Verschleißfestigkeit stieg um das Fünffache.
Nicht ausreichende thermische Stabilität: Ein Hochtemperatur-Legierungsteil, das nicht gealtert wurde, verlor 20 % seiner Härte, nachdem es 100 Stunden lang bei 650 Grad gearbeitet wurde. Nach der Alterungsbehandlung stieg der Härteerhaltungsprozentsatz jedoch auf über 95 %.
4. Wirtschaftliche Kosten: Kosten, die außer Kontrolle geraten, von „teilweiser Nacharbeit“ bis hin zur „vollständigen Stilllegung“.
Wenn keine Nachbearbeitung durchgeführt wird, verschlechtert sich nicht nur die Funktionsfähigkeit der Teile, sondern es kommt auch zu einer Kettenreaktion auf die Wirtschaft:

Die Kosten für Nacharbeiten sind stark gestiegen. Ein Autoteilehersteller warf eine ganze Charge Teile weg, weil er keine Nachbearbeitung durchführte, und die Nachbearbeitungskosten machten 35 % des Gesamtauftragswerts aus. Wenn jedoch direkt nach dem Druck zerstörungsfreie Prüfungen und Reparaturen durchgeführt werden, können die Kosten auf weniger als 5 % beschränkt werden.
Längerer Produktionszyklus: Da ein bestimmtes Luftfahrtstrukturteil nicht die erforderliche Behandlung zur Spannungsreduzierung erhielt, wurde es während der Montage verbogen. Dies führte dazu, dass die gesamte Produktionslinie zwei Wochen lang stillgelegt wurde, was das Unternehmen 2 Millionen US-Dollar kostete.
Der Ruf der Marke wurde geschädigt: Das Versäumnis eines Herstellers medizinischer Implantate, die Oberfläche seiner Produkte zu polieren, führte zu einem Anstieg der Rückrufe um 15 %, einem Kundenverlust von 25 % und einem unermesslichen Verlust des Markenwerts.