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Postprocessing Präzisionsnachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile

| Autor / Redakteur: Julian Polte, Toni Hocke, Christian Lahoda, Dennis Siebel und Eckart Uhlmann / Peter Königsreuther

Additiv gefertigte Bauteile können im Mikrometerbereich durch Glattdrücken hochpräzise nachbearbeitet werden, wie Forscher am IWF der TU Berlin und am Fraunhofer IPK beweisen.

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Bild 1: So sieht es aus, wenn man ein additiv gefertigtes Ti-AL-Bauteil des Werkstoffs 5553 durch Glattdrücken mit MKD optimiert: im Vordergrund die unbearbeitete, noch raue Fläche.
Bild 1: So sieht es aus, wenn man ein additiv gefertigtes Ti-AL-Bauteil des Werkstoffs 5553 durch Glattdrücken mit MKD optimiert: im Vordergrund die unbearbeitete, noch raue Fläche.
(Bild: IWF)

Die Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung hochkomplexer metallischer Bauteile mit höchster geometrischer Flexibilität in Leichtbauweise. Limitiert sind die verfügbaren Fertigungsverfahren aber hinsichtlich der herstellbaren Oberflächenrauheiten im Bereich von etwa 5 µm ≤ Ra ≤ 15 µm, der Formgenauigkeiten von GF ≤ 1 mm und des sich einstellenden Eigenspannungszustandes.

In der Regel weisen additiv gefertigte Bauteile Zugeigenspannungen σE auf, welche bei der Nachbearbeitung frei werden und dann das Bauteil erheblich verziehen können. Zum aktuellen Stand der Technik existiert aber kein etabliertes Nachbearbeitungsverfahren, welches die Form, die Oberflächenrauheit und den Eigenspannungszustand applikationsgerecht adressiert. Gleichzeitig wachsen die Anforderungen an den Prozess sowie an das Werkstück, wodurch stetig neue Anwendungsbereiche erschlossen sowie innovative Prozessketten erforderlich werden. Für Titan-Aluminium-Legierungen (TiAl), welche insbesondere in der Luftfahrtindustrie Anwendung finden, haben sich pulverbettbasierte Verfahren wie das Laser Powder Bed Fusion etabliert [LEA19, MAN17].

Übliche Nachbearbeitung sind unflexibel

Nach aktuellem Stand der Technik wird die Erhöhung der Formgenauigkeiten GF sowie die Reduzierung der Oberflächenrauheits-Kennwerte der additiv gefertigten Bauteile durch spanende und abtragende Verfahren realisiert [KUM18]. Allerdings sind diese Prozesse verfahrensbedingt durch eine geringe Flexibilität, hohe Investitionskosten kI sowie lange Bearbeitungszeiten tB charakterisiert und führen zum benannten Freiwerden von Eigenspannungen σ und damit einhergehend zu einem Bauteilverzug. Eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen zu begegnen, ist die Entwicklung der Technologie des Glattdrückens auf Fräsmaschinen zur hochpräzisen Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile.

Postprocessing für die Additive Fertigung

Mehr über das Nachbearbeiten additiv gefertigter Bauteile erfahren Sie auf der Fachtagung „3D-Druck! Und dann? – Postprocessing für die Additive Fertigung“. Erfahren Sie dort, welche Arbeitsschritte in welchen additiven Verfahren nicht mehr zwingend per Hand erledigt werden müssen und lernen Sie die Varianten der Nachbearbeitung kennen, speziell auf die Bedürfnisse additiv gefertigter Bauteile abgestimmt – für Metall und Kunststoff.

Das Programm

Versuchsaufbau und experimentelle Ergebnisse

Basierend auf der zum Stand der Technik bestehenden Herausforderung wurden Entwicklungen zur Präzisionsnachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile aus der Ti-Al-Legierung des Typs 5553 durchgeführt. Zur Herstellung der additiv gefertigten Bauteile wurde das Verfahren Laser Powder Bed Fusion verwendet. Als Basis für die technologischen Entwicklungen dienten Glattdrückwerkzeuge der Baublies AG, Renningen-Malmsheim, welche über eine Feder zur Prozesskrafteinstellung sowie einen Glattdrückkopf aus MKD mit einem Werkzeugradius von rWZ = 2,0 mm verfügen. Die technologischen Entwicklungen sind auf der 5-Achs-Hochpräzisions-Fräsmaschine HSC MP7/5 der Exeron GmbH realisiert worden. Um eine präzise Nachbearbeitung mittels Glattdrücken zu ermöglichen, ist ein definiertes Einstellen der Prozesskraft FPr erforderlich. Dies erfolgt über die axiale Zustellung ap der sich eindrückenden Feder mit der Federkonstante cF = 34,4 N/mm. Die Abhängigkeit zwischen der Prozesskraft FPr und der axialen Zustellung ap ist in Grafik 1 dargestellt.

Grafik 1: Abhängigkeit der axialen Zustellung von der Prozesskraft: Nutzt man eine Feder mit bekannter Federkonstante, kann die Prozesskraft abhängig von der axialen Zustellung definiert eingestellt werden.
Grafik 1: Abhängigkeit der axialen Zustellung von der Prozesskraft: Nutzt man eine Feder mit bekannter Federkonstante, kann die Prozesskraft abhängig von der axialen Zustellung definiert eingestellt werden.
(Bild: IWF)

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