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Institut für Werkzeugmaschinen u. Fabrikbetrieb d. TU Berlin

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Federeinsatz erlaubt gezielte Umformung

Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Nutzung einer Feder mit einer definierten Federkonstanten C_F die Prozesskraft F_Pr in Abhängigkeit der axialen Zustellung a_p definiert eingestellt werden kann. Demnach kann beim Glattdrücken eine werkstoffspezifische Flächenpressung p_B erreicht werden, wodurch die gezielte Umformung additiv gefertigter Bauteile realisierbar ist.

Das übergeordnete Ziel der Entwicklungen ist die Bereitstellung einer Bearbeitungstechnologie zur Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile mit arithmetischen Mittenrauwerten Ra ≤ 200 nm und Formgenauigkeiten G_F ≤ 5 µm. Demnach ist im Weiteren die Abweichung der Eindringtiefe Δt_E in Abhängigkeit von der Prozesskraft F_Pr untersucht worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in Grafik 2 deutlich. Der arithmetische Mittenrauwert der Versuchswerkstücke betrug im Ausgangszustand Ra = 7,85 µm.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Ergebnisse zeigen, dass die Eindringtiefe t_E unter Einhaltung einer Formgenauigkeit G_F ≤ 5 µm gezielt über die Prozesskraft F_Pr eingestellt werden kann. Somit konnte nachgewiesen werden, dass in Abhängigkeit von einer definierten axialen Zustellung a_p eine hochpräzise Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen realisierbar ist. Zudem werden durch den Umformprozess Druckeigenspannungen σ_D induziert, wodurch ein nachbearbeitungsbedingter Bauteilverzug vermieden wird.

Mit diesen Ergebnissen konnte erstmalig eine umfassende Präzisionsnachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile im Mikrometerbereich dargestellt werden. Zudem ist bei der Anwendung einer Prozesskraft von F_Pr = 60 N der arithmetische Mittenrauwert von Ra = 7,85 µm auf Ra = 0,18 µm reduziert worden. Dies entspricht einer Verringerung von ungefähr 98 %. Ein exemplarisches Bauteil ist in Bild 1 illustriert.

Die erste komplette Prozesskette für hochpräzise 3D-Druckteile

Das übergeordnete Ziel der Untersuchung war, eine Methode zur hochpräzisen Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen aus der Ti-Al-Legierung des Typs 5553 zu verifizieren. Dazu wurde zunächst der Zusammenhang zwischen der axialen Zustellung a_p und der Prozesskraft F_Pr analysiert, um diese für die Präzisionsnachbearbeitung definiert einstellen zu können.

Darauf aufbauend, konnte bei der Untersuchung zur Abweichung der Eindringtiefe Δt_E gezeigt werden, dass in Abhängigkeit von der Prozesskraft F_Pr eine hochpräzise Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen machbar ist. Auf Basis dieser Entwicklungen ist die erste Prozesskette zur Herstellung von hochpräzisen additiv gefertigten Bauteilen mit einer Formgenauigkeit von G_F ≤ 5 µm aufgebaut worden. Auch hat man dabei den arithmetischen Mittenrauwert Ra um rund 98 % reduzieren können.

In weiterführenden Untersuchungen sollen dann die Zusammenhänge bei der Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile weiter erforscht werden. MM

Literatur

[KUM18] Kumbhar, N. N.; Mulay, A. V.: Post Processing Methods used to Improve Surface Finish of Products which are Manufactured by Additive Manufacturing Technologies: A Review. J. Inst. Eng. India Ser. C 99 (2018) 4, S. 481 – 487.

[LEA19] Leach, R. K.; Bourell, D.; Carmignato, S.; Donmez, A.; Senin, N.; Dewulf, W.: Geometrical metrology for metal additive manufacturing. CIRP Annals 68 (2019) 2, S. 677 – 700.

[MAN17] Manfredi, D.; Calignano, F.: Laser powder bed fusion of aluminum, titanium and nickel based alloys: Materials and design investigations. In: International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA) IEEE, 2017, S. 1.423 – 1.425.

* IWF der TU Berlin, www.iwf.tu-berlin.de respektive Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktion IPK, www.ipk.fraunhofer.de

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