Innenkanäle effizient und automatisiert bearbeiten

Die Weiterentwicklung der M3-Anlage von AM Solutions ermöglicht eine wirtschaftliche, automatisierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile, auch in schwer zugänglichen Werkstückbereichen. (Bild: Rösler Oberflächentechnik GmbH)

Mit Additive Manufacturing (AM) lassen sich Bauteile mit komplexer Formgebung, integrierten Funktionen und konturnahen Kühlkanälen herstellen, also mit Teilegeometrien, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. Diese Eigenschaften von AM sind unter anderem für den Werkzeugbau, die Hydraulik sowie die Luft- und Raumfahrt von grossem Interesse. Vor allem im Werkzeugbau bietet die Integration von Kühlkanälen Vorteile, denn Temperaturschwankungen beispielsweise während des Kühlzyklus erhöhen die Gefahr, dass sich Teile verziehen. Darüber hinaus lassen sich die Kühlzykluszeiten durch eine konturnahe Kühlung deutlich verringern.

Optimal aber mit hoher Oberflächenrauheit

Für die Herstellung von Teilen im Werkzeugbau ist das Selektive Laser Melting (SLM) das Verfahren der ersten Wahl. Durch das selektive Aufschmelzen der Pulverschichten mit einem Laserstrahl entsteht ein verfestigtes und nahezu dichtes Werkstück. Herausforderungen liegen jedoch einerseits in der Entfernung von Pulveranhaftungen aus den Kühlkanälen, andererseits in der verfahrensbedingten rauen Oberfläche der Teile, die Ra-Werte zwischen 10 und 20 µm aufweist. Sowohl die hohe Oberflächenrauheit als auch die Ablagerungen in den Kanälen beeinträchtigen die Funktionalität der Bauteile – Reibungsverluste und Turbulenzen, Druckabfälle im System, gelöste Partikel, die andere Geräte beschädigen können. Da die Innenflächen komplexer Bauteile mit integrierten Kavitäten durch eine konventionelle Bearbeitung nicht erreicht werden können, sind hier neue Nachbehandlungsverfahren erforderlich. Die Wahl des richtigen Verfahrens für die Oberflächenbehandlung hat damit einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer der Komponente und die Effizienz des Systems.

Eine Alternative zur Bearbeitung der Aussen- und Innenflächen additiv gefertigter Bauteile stellt die Gleitschlifftechnik dar. In diesem Prozess werden die Werkstücke in einer Gleitschliffanlage in speziell abgestimmten Medien und Compounds eingetaucht. Die Vibration des Arbeitsbehälters führt zu einer kreisförmigen Bewegung der Werkstücke. Gleichzeitig werden die Oberflächen der Teile durch die Medien geschliffen und so die gewünschte Oberflächenqualität hergestellt.

Vor allem im Werkzeugbau bietet die Integration von Kühlkanälen Vorteile, denn Temperaturschwankungen beispielsweise während des Kühlzyklus erhöhen die Gefahr, dass sich Teile verziehen. Darüber hinaus lassen sich die Kühlzykluszeiten durch eine konturnahe Kühlung deutlich verringern. (Bild: Rösler Oberflächentechnik GmbH)

Effiziente Bearbeitung der Innenkanaloberflächen dank Gleitschlifftechnik

Um verschiedene Verfahren, unter anderem die Gleitschlifftechnik, zur Bearbeitung der Aussen- und Innenflächen additiv hergestellter Werkstücke bewerten zu können, führten die Fachbereiche Maschinenbau und Chemische Verfahrenstechnik des Politecnico Milano (Italien) zusammen mit Rösler Italiana S.r.l. eine Studie durch. Dafür erfolgten Untersuchungen von Teilen mit verschiedenen Geometrien und Innenkanälen mit unterschiedlichen Durchmessern (3, 5, 7,5 und 10 mm) mit den Bearbeitungsansätzen Gleitschleifen, Sandstrahlen sowie chemisch unterstütztes Gleitschleifen. Die Ergebnisse zeigen eine grosse Ähnlichkeit zwischen Gleitschleifen und Sandstrahlen. Mit beiden Ansätzen wurden die Rauheitsspitzen zuverlässig beseitigt und ein vergleichbares Rauheitsprofil erreicht.

Die besten Ergebnisse wurden mit dem chemisch unterstützten Gleitschleifen erzielt. Die Teile wiesen die glatteste Oberfläche sowie das beste Rauheitsprofil auf. Mit diesem Verfahren wurden mit Ra-Werten von 0,7 µm die niedrigsten Rauheitswerte in kürzester Zeit erreicht. Festgestellt wurde auch, dass die endgültigen Rauheitswerte im vertikalen und horizontalen Kanal sehr ähnlich sind.

Insgesamt wurde die Wirksamkeit der Gleitschlifftechnik auf den inneren Kanaloberflächen ohne Änderung der Kanalform bestätigt. Die Analysen zeigten, dass die behandelten Oberflächen frei von Spritzern und losen Pulvern waren. Mit allen drei Verfahren wurde eine Verbesserung der Rauheitswerte in den innenliegenden Kanälen erzielt, wobei das chemisch unterstützte Gleitschleifen sowohl vom Ergebnis als auch vom Zeitaufwand am effektivsten war.

Die SLM-Technologie ist ein ideales Verfahren für die Herstellung von Werkzeugeinsätzen. Allerdings weisen die Oberflächen nach dem Druckprozess auch in Innenkanälen Restpulver und eine hohe Rauigkeit auf, so dass eine entsprechende Nachbearbeitung unverzichtbar ist. (Bild: Rösler Italiana S.r.l.)

Vollautomatische Bearbeitung in einer Maschine

Durchgeführt wurden die Untersuchungen auf einer Weiterentwicklung des Anlagentyps M3 von AM Solutions. Dabei handelt es sich um eine Marke der Rösler-Gruppe, die sich unter anderem auf das Post Processing 3D-gedruckter Teile spezialisiert und entsprechende Maschinenlösungen anbietet. Diese decken vom Auspacken, Entpulvern, Entfernen von Stützstrukturen, Homogenisieren beziehungsweise Glätten der Oberfläche, (Hochglanz-)Polieren und der Oberflächenvorbereitung, zum Beispiel für eine nachfolgende Beschichtung, das gesamte Spektrum der Nachbearbeitung additiv gefertigter Teile ab.

Die Weiterentwicklung der bestehenden M3-Anlage ermöglicht es, künftig nicht nur Innenkanäle effektiv und gezielt zu bearbeiten, sondern sie ist gleichzeitig das erste vollautomatisierte System für die prozesssichere Bearbeitung additiv gefertigter Bauteile ohne manuellen Aufwand. Das Teilehandling für die Ein- und Ausgabe der Bauteile kann mit einem Roboterarm ebenfalls automatisiert werden. Die genau angepasste Dosierung von Schleifmedium und Compound in die Anlage erfolgt automatisch über ein Befüllsystem ebenso wie der Start des Prozesses. Angepasst an die Oberflächenanforderungen lassen sich mehrere Schleif- und Polierprozesse nacheinander geschaltet durchführen. Nach der automatischen Entleerung der Verfahrensmittel aus dem Arbeitsbehälter wird das Bauteil ausgespannt. Falls erforderlich, kann optional ein Reinigungs- und Trockenprozess ebenfalls automatisiert erfolgen. Das Teilehandling dafür lässt sich ebenso wie für die Übergabe an den nachfolgenden Prozess automatisieren. Die Anlagensteuerung ermöglicht, mehrere teilespezifische Bearbeitungsprogramme zu hinterlegen. Die an unterschiedliche Teile angepassten Prozessparameter werden einfach mit einem Tastendruck oder einer Werkstückerkennung ausgewählt.

Die Oberflächenmorphologie der Innenkanaloberflächen und das korrespondierende Rauheitsprofil zeigen, dass mit dem chemisch unterstützten Gleitschleifen die besten Ergebnisse erzielt werden. (Bild: Rösler Italiana S.r.l.)

Die automatisierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile – auch in schwer zugänglichen Werkstückbereichen, die bisher nicht oder nur mit einem sehr hohen manuellen Aufwand bearbeitet werden konnten – ermöglicht erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen. Dies führt somit zu einer deutlich erhöhten Wirtschaftlichkeit.