Postprocessing Grenzen der Nachbearbeitung bei SLS-Bauteilen

Autor / Redakteur: Paul Helmut Nebeling / Simone Käfer

Eine automatisierte Nachbearbeitung würde die Additive Fertigung einen Schritt voran bringen. Doch nicht alle Geometrien eignen sich dafür. Wo die Grenzen bei SLS-Bauteilen liegen, wurde an der Hochschule Reutlingen untersucht.

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Flaschenhals Postprocessing. Wie müssen SLS-Bauteile konstruiert sein, damit ein automatisiertes Entpacken und Entpulvern möglich ist?
Flaschenhals Postprocessing. Wie müssen SLS-Bauteile konstruiert sein, damit ein automatisiertes Entpacken und Entpulvern möglich ist?
(Bild: ©pavel siamionov - stock.adobe.com)
  • Bereits bei der Konstruktion entscheidet sich, ob ein Bauteil automatisiert Entpulvert werden kann.
  • Trommelsieben und Trommelstrahlen haben sich zum Entpacken und Entpulvern von SLS-Bauteilen bewährt.
  • Kleinere Strukturelemente sind immer kritisch.

Sehr wenig ist bisher automatisiert. Sieht man sich die gesamte Prozesskette beim selektiven Lasersintern (SLS) an, steht man derzeit sogar noch ziemlich am Anfang. Zwar gibt es einzelne Maschinen zum Entpacken und Entpulvern sowie zur Reinigung der Bauteile, die Arbeiten werden aber fast ausschließlich manuell durchgeführt. Es fehlt die Durchgängigkeit inklusive der für den industriellen Einsatz erforderlichen Qualitätssicherung. Versuche an der Hochschule Reutlingen zeigen, dass vorhandene, aber weiterentwickelte Techniken in Kombination mit noch zu entwickelnden Schnittstellen zwischen den unterschiedlichen Prozessschritten zu guten Ergebnissen führen können.

Das Verfahren

Selektives Lasersintern (SLS)

Bei der Additiven Fertigung per selektivem Lasersintern (SLS) sintert ein scannender Laserstrahl das pulverförmige Material zusammen. Das Bauvolumen ist auf eine Temperatur etwas unter die Aktivierungstemperatur des verwendeten Materials vorgewärmt. Der Vorwärmprozess dauert zwischen 2 und 3 Stunden, bevor der eigentliche Bauprozess startet. Die Schichtstärken reichen von 60 von 150 µm. Stützstrukturen werden bei diesem Verfahren nicht verwendet. Die Bauzeit ist abhängig von der Bauhöhe und der Packungsdichte.

Kann das Bauteil automatisch entpulvert werden?

Schon bei der Konstruktion von Bauteilen sind spezifische Merkmale der Additiven Fertigung zu berücksichtigen. Doch oft fehlen die dafür nötigen Kenntnisse oder werden nicht richtig umgesetzt. Insbesondere hinsichtlich der gesamten Prozesskette sind definierte Merkmale wichtig, die eine automatisierte Fertigung ermöglichen. Entscheidend ist auch, vor dem Start eines Druckjobs zu prüfen, ob die Bauteile fertigbar sind oder nicht und ob sie sich automatisiert oder nur manuell entpulvern lassen. Dazu werden die CAD-Modelle auf filigran hervorstehende Geometrien beziehungsweise Strukturelemente überprüft, wie lange, dünne Stangen oder Platten, kleine, lange Bohrungen, geschlossene innenliegende Hohlräume, membranartige dünne Wände. Denn diese Strukturelemente halten den mechanischen Belastungen eines automatisierten Entpackens und Entpulverns mittels Trommelsieben oder -strahlen nicht stand. Auch bei anderen Reinigungsverfahren können solche Geometrien problematisch sein.

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Bei dieser Analyse der Bauteile werden die CAD-Modelle auf Bohrungen, Schlitze, Stangen und Platten mit absoluten Maßen < 3 mm und einem Längen-Durchmesser-Verhältnis bei inneren Strukturen ≥ 1 und äußeren Strukturen ≥ 4 überprüft. Dabei wird die Auflösung der geometrischen Beschreibung in den Dateien (Elementgröße der STL-Flächen) berücksichtigt. Bei der Beschreibung der einzelnen Elemente geht die Materialorientierung aus der Lage des jedem Element anhaftenden Normalenvektors hervor. Befinden sich zwei Normalenvektoren in einem Prüfvolumen kleiner der kritischen Strukturelementgröße in einem Volumenelement, handelt es sich entweder um eine innenliegende Bohrung beziehungsweise Stange, einen Schlitz beziehungsweise eine Platte oder eine dünne Wandung. Ob es sich um eine innere oder äußere Kontur handelt, erkennt man an geometrischen Zusammenhängen, wie eines positiven oder negativen Vektorabstand zwischen den beiden Oberflächenelementen. Bohrungen und Stangen unterscheidet man von Platten, Schlitzen und Wandungen anhand der Winkel zwischen den Normalenvektoren. Schwieriger wird es bei innenliegenden Hohlräume mit Gitterstrukturen, denn Gitterstrukturen lassen sich in Abhängigkeit der Gitterparameter nur bedingt erkennen.

Welche Verfahren eignen sich zum Entpacken & Entpulvern?

Beim Entpacken und Entpulvern der Bauteile nach dem Druckjob haben sich Trommelsieben und Trommelstrahlen bewährt. Mit diesen Verfahren lassen sich Bauteile schnell und effizient von losem und anhaftendem Pulver trennen. Während ein großer Teil des losen Pulvers wiederverwendet werden kann, muss das an den Bauteilen anhaftende Pulver aufgrund der thermischen Belastung entsorgt werden. Wird zunächst loses Pulver mittels (Vibrations-)Sieben abgeführt, kann aufgrund der Mischungsrate der für die Druckjobs eingesetzten Pulvermischung von jeweils 50 % Recycling- und Neupulver großzügig Pulver an den Bauteilen belassen werden. Bei der anschließenden Entpulverung zum Beispiel mittels Strahlen werden die Oberflächen und große Öffnungen gereinigt.

Postprocessing für die Additive Fertigung

(Bildquelle: VCG)

Auf der digitalen Veranstaltung „AM Stammtisch – Postprocessing“ treffen Sie anderen Interessierten aus der Additiven Fertigung. Sie erfahren, welche Arbeitsschritte in welchen additiven Verfahren nicht mehr zwingend per Hand erledigt werden müssen und lernen die Varianten der Nachbearbeitung kennen, speziell auf die Bedürfnisse additiv gefertigter Bauteile abgestimmt – für Metall und Kunststoff.

Das Programm

Beschädigungen durch Trommelsieben

Beim Trommelsieben mit oder ohne Strahlen können mehrere oder alle Bauteile eines Druckjobs gemeinsam in einer Trommel gereinigt werden. Durch die Rotationskinematik werden die Bauteile nach oben befördert, um dann schwerkraftbedingt nach unten zu fallen. Dabei Berühren sie entweder die Trommeloberfläche oder andere Bauteile. Das kann zu Beschädigung führen. Wie empfindlich die Bauteile beziehungsweise ihre Strukturen sind, wurde an der Hochschule Reutlingen getestet. So wurden Fallhöhen und geometrische Merkmale der Bauteile mit einem Test ähnlich eines Kerbschlagbiegeversuchs untersucht. Um die kritischen geometrischen Dimensionen zu ermitteln, wurden Stangen und Membranen erzeugt und mit einem Schlagpendel getestet. Aus den Messdaten konnten die Wissenschaftler ableiten, bei welcher Membrandicke und -größe, bei welchem Stangendurchmesser und bei welcher Stangenlänge die Reinigung in einem Trommelsieb oder einer Trommelstrahlanlage kritisch ist.

Empfindlichkeit kritischer Strukturelemente

Der Versuchsaufbau

Die Empfindlichkeit kritischer Strukturelemente wurde an der Hochschule Reutlingen an unterschiedlichen Proben untersucht. Dabei wurden die Bauteilspektren und die auftretenden Fallhöhen ebenso wie die geometrischen Merkmale der aufeinandertreffenden Bauteilelemente definiert und durch Versuchsanordnung ähnlich eines Kerbschlagbiegeversuchs nachgebildet. Um die kritischen geometrischen Dimensionen zu ermitteln, wurden Stangen und Membranen erzeugt und mit einem Schlagpendel getestet. Mit dem Schlagpendel wurde die Schlagenergie eingestellt und gemessen. Die Probenhalterung befand sich auf einer Kraftmessplattform, mit der die Schlagkraft und deren Verlauf erfasst wurde. Aus den ermittelten Messdaten wurde abgeleitet, bei welcher Membrandicke und -größe, welchem Stangendurchmesser und welcher Stangenlänge die Reinigung in einem Trommelsieb oder einer Trommelstrahlanlage kritisch ist.

Beim Test der Stangen wurde der Durchmesser zwischen 2 und 5 mm bei Längen-Durchmesser-Verhältnissen von 2 bis 10 variiert. Als weiterer Parameter wurde bei den Membranen die Dicke und Größe (20 mm × 20 mm mit Dicke 0,5/1 mm, 50 mm × 50 mm mit Dicke 0,5/1/1,5/2 mm) variiert. Weiterhin wurden bei den Versuchen mit den Stangen die Verrundungen am Stangenansatz verändert.

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.

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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