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Grenzen der Nachbearbeitung bei SLS-Bauteilen

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Beim Test der Stangen wurden sowohl die Durchmesser als auch die Dicke und Größe bei den Membranen variiert. Auch die Verrundungen am Stangenansatz wurden verändert. Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass zwar die Bruchstelle zum Ansatz der Verrundung verschoben wurde, aber keine signifikante Veränderung der Bruchenergie auftrat. Neben den geometrischen Varianten wurde auch die Ausrichtung der Stangen beim Druck untersucht. Dabei waren die Stangen einmal in Baurichtung, also stehend, und einmal liegend in der Bauebene angeordnet. Die liegend gedruckten Proben wiesen höhere Festigkeitswerte auf als die stehend gedruckten.

Eine deutliche Abhängigkeit des Bruchs von der Länge wurde aufgrund der Elastizität des Materials nicht ermittelt. Der Durchmesser ist aber ein kritisches Merkmal. Aus den Messungen lassen sich die folgenden Ergebnisse ableiten. Bei einem Durchmesser unter 3 mm ist die Bauteilmasse und Länge der herausstehenden Konturteile unabhängig von der Bruchfestigkeit. Kleinere Strukturelemente sind immer kritisch.

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Auch bei membranartigen Wänden ist die Festigkeit gegenüber Einflüssen von außen durch die Wandstärke und Größe recht deutlich zu erkennen. Bei den untersuchten Wandstärken entstehen schnell durch die Berührung mit festen Gegenständen oder anderen Bauteilen Schäden an den Bauteilen.

Zur Prüfung unterschiedlicher Dimensionen kritischer Bauteilmerkmale wurden unterschiedliche Konturelemente an einem Prüfkörper definiert. Dabei wurden sowohl innere als auch äußere Elemente berücksichtigt. Zur Ermittlung möglichst vieler kritischer Kenngrößen wurden vor allem filigrane Strukturen mit einer feinen Stufung verwendet. Neben der Empfindlichkeit der Bauteilmerkmale zum Beispiel gegen Beschädigung wird damit die Erkennbarkeit durch die Bildverarbeitung sowie die Genauigkeit des Verfahrens ermittelt.

Empfindlichkeit kritischer Strukturelemente

Die Ergebnisse

  • Verändert man Verrundungen an Stangen, verschiebt sich zwar die Bruchstelle, die Bruchenergie bleibt jedoch gleich.
  • Liegend gedruckte Stangen weisen höhere Festigkeitswerte auf als stehend gedruckte.
  • Bei einem Durchmesser < 3 mm ändern Bauteilmasse und Länge der Geometrie nichts an der Bruchfestigkeit.
  • Kleinere Strukturelemente sind immer kritisch.
  • Bei dünnen Wandstärken entstehen Schäden durch die Berührung mit festen Gegenständen oder anderen Bauteilen.

Wie kann ein automatisiertes Enpulvern funktionieren?

Achtet man auf die Strukturelemente, ist ein Automatisieren des Entpackens und Entpulverns der Außenkonturen mit kommerziellen Geräten weitestgehend möglich. Mit Sieben oder Strahlen lassen sich aber innere Konturelemente nicht oder nur bedingt reinigen. Bei der manuellen Reinigung kommen luftbeaufschlagte Röhrchen und Schläuche ebenso wie Stangen und Bürsten zum Einsatz. Diese Geräte werden manuell in die entsprechenden Bohrungen eingeführt. An der Hochschule Reutlingen wurde dieses Vorgehen zusammen mit der Identifikation der Konturelemente analysiert und durch entsprechende automatisierte Schritte nachgestellt. Dabei muss das System zunächst erkennen, welches Bauteil mit welchen Konturelementen vorhanden ist. Dies kann mittels Bildverarbeitung und dem Vergleich der aufgenommenen Geometrie mit den CAD-Modellen der in dem Baujob vorhandenen Bauteile erfolgen. Geometrisch nahezu identische Bauteile werden allerdings nicht erkannt. Es folgt eine Zuordnung der Merkmale anhand der erkannten Bauteilflächen. Aus diesen Informationen wird die Greifposition des Roboters und die Lage der zu reinigenden Konturelemente ermittelt. Anschließend führt der Roboter die Bauteile den entsprechenden Werkzeugen zu.

Auch für die Reinigungstests wurden unterschiedliche Bauteile gefertigt, in die man Bohrungen und Schlitze unterschiedlicher Durchmesser beziehungsweise Breite und Tiefe integrierte. Ebenso betrachteten die Wissenschaftler gebogene Bohrungen und Wabenstrukturen. Die verwendeten Werkzeuge sind jeweils geometriespezifisch angepasst.

Die Wissenschaftler stellten fest, dass eine Automatisierung der Prozesskette nur mit standardisierten Behältern und Schnittstellen zur Aufnahme und Handhabung möglich ist. Diese Behälter und Schnittstellen existieren derzeit noch nicht. Die Handhabung zwischen den einzelnen Prozessschritten kann mittels automatisiertem Transportsystem und/oder Roboter geschehen. Das Bauvolumen wird nach dem Abkühlen in die Entpackbox übernommen oder entleert. Gleiches geschieht bei der Übergabe an die Entpulverung. Bei der folgenden Identifikation werden die Bauteile auf einem Förderband per 2D-/3D-Bildverarbeitung identifiziert und durch einen Roboter abgegriffen.

Um ein SLS-Bauteil automatisch Entpacken und Entpulvern zu können, ist es also wichtig, dass kritische geometrische Merkmale schon im Vorfeld des Baujobs durch Algorithmen anhand der CAD-Modelle erkannt werden. Die Identifikation der Bauteile findet anschließend mittels Bildverarbeitung sowie die Prüfung der Korrelation zwischen Soll- und Ist-Geometrie statt. An diesen Themen wird im Rahmen eines Projektes weitergearbeitet.

An dem Projekt waren folgende Studierende beteiligt:
B. Eng. Dennis Köhler und B. Eng. Christian Pressa (beide im Rahmen ihrer Bachelor-Thesis) sowie B. Eng. Alexander Lube und B. Eng. Christian Gabel, Maschinenbau-Master-Studierende Hochschule Reutlingen

* Prof. Dr.-Ing. Paul Helmut Nebeling hat die Professur Werkzeugmaschinen, Produktionsanlagen, Steuerungstechnik an der Hochschule Reutlingen inne.

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