Oberflächentechnik Tauchgleitläppen ermöglicht präzise additiv gefertigte Bauteile

Autor / Redakteur: J. Polte, M. Polte, T. Hocke, C. Lahoda, E. Uhlmann / Peter Königsreuther

Additive Fertigungsmethoden ermöglichen die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile mit höchster geometrischer Flexibilität. Doch ihre Oberflächenqualität lässt oft zu wünschen übrig. Per Tauchgleitläppen kann sie jedoch verbessert werden.

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Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
Bild 1: Mithilfe des Tauchgleitläppens nachbearbeite Oberflächen (rechts) einer additiv gefertigten Staudrucksonde aus der martensitischen Stahllegierung 1.2709.
(Bild: TU Berlin)

Additive Fertigungsmethoden ermöglichen die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile mit höchster geometrischer Flexibilität. So ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten für Anwendungen im Bereich der Strömungs- sowie Kühltechnologien, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar wären. Limitiert sind die verfügbaren additiven Fertigungsverfahren allerdings hinsichtlich der herstellbaren Oberflächenrauheiten im Bereich von 5 μm ≤ Ra ≤ 15 μm, was sich besonders negativ auf die tribologischen Verhältnisse auswirkt [SPE54].

Gleichzeitig wachsen aber die Anforderungen an den Prozess sowie an das Werkstück, wodurch stetig neue Anwendungsbereiche erschlossen sowie innovative Prozessketten erforderlich werden [UHL16]. Für martensitaushärtende Stahllegierungen etwa, die insbesondere im Werkzeug- und Formenbau genutzt werden, haben sich pulverbettbasierte Verfahren wie das Laser Powder Bed Fusion etabliert [STO16].

Der bisherige Stand der Dinge

Nach aktuellem Stand der Technik reduziert man in der Praxis die Oberflächenrauheit von additiv gefertigten Bauteilen dann durch spanende und abtragende Bearbeitungsverfahren [KUM18]. Diese Prozesse gehen aber mit starken Anpassungen des Verfahrens an die jeweilige Bauteilgeometrie einher. Dies erklärt sich mit dem bei additiv gefertigten Bauteilen oft auftretenden thermischen Verzug, durch den die reale Bauteilgeo­metrie von der gewünschten Geometrie abweicht [MUG19]. Somit muss mit Blick auf die konventionellen spanenden und abtragenden Verfahren zunächst die Realgeometrie erfasst werden, was aber auf Kosten der Wirtschaftlichkeit geht. Eine Möglichkeit, um dieser Herausforderung zu be­gegnen, ist die Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile mittels Tauchgleitläppen.

Das experimentelle Vorgehen

Das übergeordnete Ziel der Entwicklungen ist es, eine Prozesskette zur präzisen Oberflächennachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile aus der martensitischen Stahllegierung des Typs 1.2709 bereit zu stellen. Deshalb wurde zunächst der Einfluss der Prozess­parameter untersucht. Die Herstellung der additiv gefertigten Bauteile erfolgte mithilfe des Verfahrens Laser Powder Bed Fusion, wobei eine Maschine des Typs SLM 250 HL der SLM Solutions- Group AG aus Lübeck verwendet wurde.

Die Nachbearbeitung der gefertigten Bauteile ist mit der Tauchgleitläppanlage DF-3 Tools der von der Otec Präzisionsfinish GmbH aus Straubenhardt realisiert worden. Als Probengeometrie dienten zylindrische Grundkörper mit einem Durchmesser von d = 10 mm. Hierbei wurde zur Fertigung der Metallpulverwerkstoff Amperprint 1556.074 von der Högäns GmbH aus Goslar genutzt, der eine maximale Korngröße dmax = 45 μm aufweist. Zusätzlich wurde mit den in Tabelle 1 gezeigten Prozess­parametern verwendet.

Tabelle 1: Diese Parameter wurden für den additiven Fertigungsprozess eingestellt.
Tabelle 1: Diese Parameter wurden für den additiven Fertigungsprozess eingestellt.
(Bild: TU Berlin)

Um eine applikationsgerechte Prozesskette zur Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen aus der martensitischen Stahl­legierung des Typs 1.2709 zu entwickeln, wurden zunächst auf Basis ausgewählter Prozess­parametersätze Untersuchungen durchgeführt und die jeweiligen Einflüsse analysiert. Darauf aufbauend wurde ein mehrstufiger Prozess in Abhängigkeit von unterschiedlichen Läppmedien realisiert, um eine effiziente Bearbeitung der untersuchten Probengeometrie zu ermöglichen. Dies umfasste die Läppmedien QZ, HSC 1/500 und M 5/400. Eine Auswahl der verschiedenen Läppmedien erfolgte anhand der spezifischen Herstellerangaben sowie durchgeführten Voruntersuchungen. Die Zusammensetzung und Korngrößen dK der eingesetzten Läppmedien sind in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Die einzelnen Läppmedien und die zugehörigen Korngrößen.
Tabelle 2: Die einzelnen Läppmedien und die zugehörigen Korngrößen.
(Bild: TU Berlin)

Zur Untersuchung der Einflüsse der Prozessparametersätze wurde zunächst das abrasive vollkeramische Läppmedium QZ mit einer großen Korngröße von dk = 500 μm verwendet, um die entsprechenden Effekte zu analysieren. Zur Realisierung einer de­finierten Nachbearbeitung der zylindrischen Grundkörper sind die Eintauchtiefe tE, die Bearbeitungsdauer tB und die Drehzahl n, welche aus der Halterdrehzahl nH und der Rotordrehzahl nR zusammengesetzt ist, variiert worden. Die Ermittlung der Oberflächenrauheits-Kennwerte erfolgte mit dem taktilen Rauheitsmessgerät des Typs nanoscan 855 der Jenoptik AG aus Jena. Die Abhängigkeit zwischen den gewählten Prozess­parametersätzen und dem arithmetischen Mittenrauwert Ra ist in Bild 2 dargestellt.

Bild 2: Die Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit für das verwendete Läppmedium Aluminiumoxid.
Bild 2: Die Ergebnisse zum Einfluss der Prozessparameter auf den arithmetischen Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit für das verwendete Läppmedium Aluminiumoxid.
(Bild: TU Berlin)

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