AM-Nachbearbeitung Additiv gefertigte Teile nassstrahlen

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Die additive Fertigung eröffnet Möglichkeiten, fordert aber auch heraus. Insbesondere im Bereich der Nachbearbeitung. Ein bislang wenig betrachtetes Verfahren ist dabei die Nassstrahltechnik.

Die additive Fertigung (AM) erlaubt die Erzeugung von geometrisch komplizierten und leichtgewichtigen Komponenten mit einer hohen Materialausbeute. Daher kommt die Fertigungsmethode vermehrt in der Automobil- und Luftfahrtindustrie sowie in der Medizintechnik zum Einsatz. Mit der 3D-Drucktechnologie können auch schnell Ersatzteile produziert werden, was mit konventionellen Herstellungsmethoden nicht möglich oder sehr teuer wäre. Dadurch können Maschinen problemlos repariert werden, ohne sie ersetzen zu müssen. Mit all diesen Vorteilen sowie der Möglichkeit, die Fertigung zu dezentralisieren und somit Lieferkettenprobleme zu mildern, ist die Zukunft der additiven Fertigung als industrielles Herstellungsverfahren gesichert.

Nachbearbeitung kommt Schlüsselrolle zu

Leider sind in der additiven Fertigung auch noch einige Probleme zu überwinden. So zum Beispiel bei der Oberflächenbearbeitung der Rohkomponenten, die aus dem Drucker oder von der Bauplatte kommen. Mittels 3D-Druck hergestellte Kunststoff- oder Metallkomponenten erfordern eine Nachbearbeitung, mit der unter anderem Restpulver und/oder Stützkonstruktionen entfernt werden. Das Hauptproblem ist jedoch die Oberflächenverbesserung. Durch den druckbedingten Staircasing-Effekt sehen die rohen AM-Teile anfangs nicht gut aus. Weiterhin haben sie auch eine sehr raue Oberfläche. Dies beeinträchtigt sowohl den optischen Eindruck als auch die Funktionalität der Komponenten. Aus diesem Grund muss die Oberfläche der Teile in entsprechenden Nachbearbeitungsprozessen verfeinert werden.

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Da der Anteil der Nachbearbeitungskosten an den Gesamtkosten für das fertige Produkt sehr hoch ist, wird intensiv daran gearbeitet, wirtschaftliche, reproduzierbare und automatisierte Nachbearbeitungssysteme zu entwickeln. Viele Firmen arbeiten an speziellen Lösungen, zum Teil mit eindrucksvollen Ergebnissen. Meist sind die Lösungen jedoch begrenzt auf einzelne Materialien oder Geometrien. Und generell sind sie teuer und zu kompliziert.

Aus diesem Grunde werden meist bestehende Oberflächenbearbeitungsverfahren weiterentwickelt und an die Anforderungen der Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Metall- und Kunststoffkomponenten angepasst. Eine Reihe an Technologien, beispielsweise Gleitschleifen, Strahlen, Shot Peening sowie chemische Glättungssysteme, wird schon mit Erfolg eingesetzt.

In diesem Artikel wird eine Nachbearbeitungsmethode zur Oberflächenverfeinerung von AM-Komponenten beschrieben, die bisher vernachlässigt wurde – das Nassstrahlen. Dabei handelt es sich um eine saubere, zuverlässige, reproduzierbare und präzise Technologie, die im Vergleich zu anderen Methoden erheblich bessere Oberflächen erzeugt. Dies ist insbesondere der Fall bei Komponenten, die mit Direct Metal Laser Sintering (DMLS) und Selective Laser Sintering (SLS) hergestellt werden.

Wie funktioniert das Nassstrahlen?

Bei dieser Strahlmethode wird ein Gemisch aus Wasser und Strahlmittel beschleunigt und auf die Werkstückoberfläche geschleudert. Das Nassstrahlen eignet sich besonders für die Bearbeitung von empfindlichen Präzisionsteilen. Das Verfahren arbeitet absolut staubfrei. Weiterhin erlaubt es die Verwendung von sehr feinen Strahlmitteln. Ein großer Vorteil ist, dass das Gemisch die Aufprallenergie dämpft. Auch Strahlmitteleinschlüsse in der Werkstückoberfläche werden komplett verhindert. Am wichtigsten ist jedoch, dass das Nassstrahlen auf AM-Komponenten ein hervorragendes Oberflächen-Finish erzeugt.

Das Strahlgemisch enthält im Schnitt etwa 10 bis 40 Volumenprozent an Strahlmittel. Dieses Wasser-Strahlmittel-Gemisch wird zu der Strahlpistole gepumpt, wo es durch Druckluft beschleunigt und auf die Werkstücke geschleudert wird. Die Aufprallenergie des Gemisches erzeugt den gewünschten Effekt, sei es Reinigung, Oberflächenglättung, Vorbereitung für das Beschichten, Erzeugen einer mattierten Oberfläche oder Shot Peening.

Das Nassstrahlen entfernt Restpulver sowie die Stützkonstruktionen von verschiedenen Kunststoffkomponenten und verfeinert gleichzeitig deren Oberfläche. Mit unterschiedlichen Strahlmitteln wird ein dekoratives oder funktionelles Oberflächen-Finish erzielt. Nassstrahlmaschinen können problemlos in automatisierte Fertigungslinien integriert oder als Insellösungen eingesetzt werden.

Nassstrahlen erzeugt nicht nur hervorragende Oberflächen, sondern ermöglicht auch eine schonende Bearbeitung. Der Prozess ist absolut staubfrei und verursacht keine elektrostatischen Probleme. Somit müssen keine Atex-Vorschriften hinsichtlich brennbarer oder explosiver Stäube eingehalten werden. Im Gegensatz zum Trockenstrahlen entstehen auch keine Strahlmitteleinschlüsse, die die Oberflächenqualität beeinträchtigen können.

Trockenstrahlen erzeugt eine beträchtliche Menge an Wärme, die in Verbindung mit der hohen Aufprallenergie insbesondere empfindliche Werkstücke verformen kann. Im Gegensatz dazu ist das Nassstrahlen erheblich kühler und schonender und deshalb ideal für die Nachbearbeitung von empfindlichen, dünnwandigen Komponenten.

Im Hinblick auf die Entfernung des Restpulvers von AM-Komponenten entfernt das Nassstrahlen alle an der Oberfläche anhaftenden Fremdstoffe, sogar aus schwer zugänglichen Bereichen wie internen Kanälen und Hinterschneidungen.

Allgemein erzeugt das Nassstrahlen glattere Oberflächen mit einem hohen Grad an Präzision und Reproduzierbarkeit. Das erzeugte Finish ist sehr homogen und weist eine Oberflächenrauigkeit (Ra) von weit unter 100 auf. Im Hinblick auf dekorative Oberflächen erzeugt das Nassstrahlen ein glattes, mattiertes Finish. Durch die Vermeidung von Verformungen werden erheblich engere Maßtoleranzen erreicht.

Ein wichtiger Vorteil des Nassstrahlens ist außerdem seine Vielseitigkeit. Durch unterschiedliche Strahlmittelkonzentrationen im Gemisch und die einstellbare Strahlintensität kann eine breite Palette an verschiedenen Materialien und Werkstückgeometrien bearbeitet werden, ohne dass die Form oder Funktionalität der Werkstücke gefährdet wird.

Wie bereits erwähnt, beträgt die typische Strahlmittelkonzentration im Gemisch etwa 10 bis 40 Volumenprozent. Die Ermittlung der optimalen Konzentration erfordert Musterbearbeitungen. Diese sollten in Zusammenarbeit mit einer anerkannten Fachfirma durchgeführt werden.

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