Maßgeschneiderte Post-Prozesse

Oberflächentechnik

Maßgeschneiderte Post-Prozesse

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Bei den Additiven Fertigungsverfahren besteht ein hoher Bedarf für die Entwicklung wirtschaftlicher Post-Prozesse wie Bauteilreinigung und Oberflächenbearbeitung.

Katja Wohlers
Pressesprecherin Surface Technology

Bereits auf den Oberflächentagen 2017 des ZVO waren die Nachbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen und deren Prüfung ein wichtiges Thema. Die Fortsetzung des spannenden Experten-Austauschs erfolgt auf der Oberflächentechnik-Messe Surface Technology, die vom 5. bis 7. Juni 2018 in Stuttgart stattfindet. Denn um neue Applikationen additiv fertigen zu können, besteht noch ein hoher Bedarf an automatisierten Lösugen im Bereich der Bauteilreinigung und Oberflächentechnik.

Dazu liefern Forschungsinstitute wie das Fraunhofer IPK anwendungsorientierte Lösungen. Welche Fortschritte hier möglich sind, zeigen die Forschungsprojekte Simugen (Simulation und generative Fertigung von Leichtbaustrukturen in Turbinenkomponenten) und Profex (Prozesskette für die Fertigung hochkomplexer Turbinenbauteile) des Fraunhofer-Innovationsclusters Life Cycle Engineering: Hier wurden die Simulation und die additive Fertigung von Leichtbaustrukturen in Turbinenkomponenten betrachtet, um Turbinenschaufeln verzugsarm additiv zu fertigen. Bei den hochkomplexen Turbinenschaufeln mit integrierten Gitterstrukturen und Kühlkanälen konnte die Leistungsfähigkeit durch den Einsatz des Selektiven Laserstrahlschmelzens (SLM) in der Fertigung und maßgeschneiderten Nachbearbeitungstechnologien (so genannten Post-Prozessen) wie Strahlen oder Gleitschleifen gesteigert werden.

Hier zeigen sich deutliche Vorteile: Die Produktion der Turbinenkomponenten dauerte von der Konstruktion bis zum Abschluss der Post-Prozesse nur etwa vier Wochen. Im Vergleich benötigt die konventionelle Einführung und Produktion neuer Turbinenschaufeln mit klassischen Produktionsverfahren etwa acht Monate. Das neue Verfahren erfordert keine Gussformen und ermöglicht die Realisierung von kürzeren Prozessketten zur schnelleren Fertigung von Prototypen und Funktionsbauteilen. Durch die Arbeitsersparnis können die Herstellkosten gesenkt und der Umsatz gesteigert werden.

Pulverrückstände können später die
Funktion des Produkts beeinträchtigen

Beim SLM-Verfahren beispielsweise beginnen die Post-Prozesse bei der Entfernung von losem Pulver und der Trennung des Produkts von Substratplatte beziehungsweise Stützstrukturen. Der nächste wichtige Prozessschritt ist die Reinigung, um Pulverrückstände vom Produkt zu entfernen. Die prozessbedingten Rückstände werden entfernt, um eine Kontaminierung der Folgeprozesse zu vermeiden und den Gesundheitsschutz zu gewährleisten. Werden Rückstände nicht entfernt, können sich im Gebrauch anhaftende Pulveragglomerate lösen und in Folge möglicherweise die Produktfunktion beeinträchtigen.

Damit dies nicht geschieht, wurden im Forschungsvorhaben Profex die Prozesse in der Prozesskette für additive Produktion von Turbinenkomponenten aufeinander abgestimmt und robust ausgelegt. Als Technologien wurden für die Reinigung das Sandstrahlen und Druckluft, Bürsten und nasschemische Behandlungen zur Entfernung des Restpulvers genutzt und untersucht. Weitere Reinigungstechnologien in diesem Sinne sind das Ultraschallreinigen und Trockeneisstrahlen. Die Ultraschallreinigung erreicht alle Oberflächen und entfernt durch Kavitationseffekte auch Pulver an unzugänglichen Bauteilbereichen. Beim Trockeneisstrahlen werden die außenliegenden Oberflächen behandelt, die rückstandsfreie Reinigung erfolgt durch mechanische und thermische Effekte sowie durch Sublimation. „In der Fraunhofer-Allianz Reinigungstechnik kümmern wir uns intensiv auch um die speziellen Anforderungen, den das noch relativ neue Gebiet der AM in der Nachbehandlung mit sich bringt“, sagt André Bergmann, Leiter des Kompetenzzentrums Additive Fertigungstechnologien am Fraunhofer IPK.

Oberflächenrauheit ist eine der
größten Herausforderungen

Die große Ausgangsrauheit additiv gefertigter Produktkomponenten von in der Regel über Rz 50 µm stellt eine der größten Hürde für eine weitergehende Markdurchdringung dar. Doch auch hier ergab sich aus dem Forschungsvorhaben am Fraunhofer IPK eine Reihe von Lösungen. Das elektrochemische Polieren und Ätzen sind wirtschaftliche Prozesse und garantieren einen verhältnismäßig gleichmäßigen Abtrag der Rauheit in äußeren Komponentenbereichen. Innenliegende Kavitäten lassen sich durch das Strömungsschleifen bearbeiten. Entsprechend der Kavität wird die Bearbeitungsstrategie simulativ ausgelegt und geeignete Bearbeitungsparameter für eine optimale Oberflächenbearbeitung abgeleitet.

Die Bearbeitung mittels Strömungsschleifen erfolgt durch viskoelastisches Medium mit abrasiven Zusatzstoffen. Unter hohem Druck wird dieses Medium durch die Kavitäten geleitet, um die Partikelanhaftungen zu entfernen, die Oberfläche innerer Kavitäten zu glätten und die Kanten zu verrunden. Weitere Optionen zu Oberflächenbearbeitung und -verfestigung sind durch Gleitschleifen und das Kugelstrahlen gegeben.



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