Werden die Nachbearbeitungsverfahren für die additive Fertigung miteinander verglichen, erfolgt dies typischerweise anhand der erzielbaren Oberflächenrauigkeit sowie der Wirtschaftlichkeit. Dabei ist entscheidend zu wissen, dass mit fast jedem Nachbearbeitungsverfahren eine gute Oberflächenrauigkeit erzielt werden kann. Die Frage ist nur, wie lange und intensiv das Bauteil bearbeitet werden muss. Denn durch eine lange Nachbearbeitung wird die Form- und Maßhaltigkeit in Folge des Materialabtrags, vor allem im Bereich der Kantenverrundung, maßgeblich beeinflusst.
Diese Wechselwirkungen zwischen erzielbarer Oberflächenrauigkeit sowie der damit einhergehenden Kantenverrundung und dem Materialabtrag bei verschiedenen Nachbearbeitungsverfahren untersucht der Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth in Zusammenarbeit mit der Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer IPA im Rahmen einer Benchmark-Analyse.
Ablauf der Benchmark-Analyse
Als Vorbereitung für die Benchmark-Analyse wurden würfelförmige Prüfkörper aus dem Werkstoff TiAl6V4 mittels Laserstrahlschmelzen (Schichtdicke 20 μm) gefertigt (vgl. Abbildung 1). Die Prüfkörper wurden im Anschluss mittels Bandsäge von der Bauplatte getrennt und die prozessbedingt notwendigen Stützstrukturen manuell entfernt. Die Prüfkörper wurden jeweils im Ausgangszustand sowie nach der Anwendung eines bestimmten Nachbearbeitungsverfahrens hinsichtlich Oberflächenrauigkeit, Kantenverrundung und Materialabtrag untersucht (vgl. Abbildung 2). Dabei wurde die Oberflächenrauigkeit jeweils an einer im Fertigungsprozess schräg nach oben (Upskin-Fläche) und an einer schräg nach unten gerichteten Fläche (Downskin-Fläche) erfasst. Im Rahmen der beschriebenen Vorgehensweise wird ausschließlich auf den Kennwert Sa (mittlere arithmetische Höhe des Rauigkeitsprofils) eingegangen. Dabei handelt es sich um eine flächenbezogene Erweiterung des Linienparameters Ra (arithmetischer Mittelwert des Rauigkeitsprofils).
Die Kantenverrundung wurde pro Prüfkörper jeweils an drei Messpositionen einer Kante erfasst. Zur Bestimmung des Materialabtrags wurden pro Prüfkörper alle Außenflächen jeweils durch eine Ebene angenähert, der Abstand der jeweils gegenüberliegenden Ebenen wurde messtechnisch bestimmt.
Zum aktuellen Zeitpunkt wurden folgende Nachbearbeitungsverfahren durch verschiedene Anbieter (A1–A7) durchgeführt und die Prüfkörper analysiert:
- Mikrostrahlen mit verschiedenen Strahlmedien (A1–A2)
- Plasmapolieren (A3)
- Gleitschleifen mit verschiedenen Schleifparametern (A4–A7)
Den Anbietern wurde zuvor mitgeteilt, welche Eigenschaften zu untersuchen sind sowie wie und an welchen Positionen diese messtechnisch erfasst werden. Die Nachbearbeitungsverfahren der einzelnen Anbieter wurden jeweils bei drei Prüfkörpern angewandt. Aus den Daten wurde ein arithmetischer Mittelwert gebildet.
Ergebnisse der Benchmark-Analyse
Die durch die Nachbearbeitungsverfahren beeinflussten Eigenschaften Oberflächenrauigkeit, Kantenverrundung und Materialabtrag sind in Abbildung 3 dargestellt. Durch die beim Fertigungsprozess gewählte, vergleichsweise geringe Schichtstärke von 20 μm besitzen die Prüfkörper im Ausgangszustand einen Sa von 7,8 bis 8,3 μm und eine Kantenverrundung von ca. 120 μm.
Durch das Mikrostrahlen der Prüfkörper konnte die Oberflächenrauigkeit um durchschnittlich 46 % reduziert werden. Beim Einsatz eines abrasiven Strahlmittels (A1) wurden geringfügig bessere Werte erreicht. Dafür fielen bei diesem Strahlmedium die Kantenverrundung und der Materialabtrag auch geringfügiger höher aus. Durch das Mikrostrahlen mit einem sphärischen Strahlmedium (A2) konnte sogar die Kantenverrundung im Vergleich zum Ausgangszustand verbessert werden. Dies wird auf ein gezieltes senkrechtes Strahlen auf die Außenflächen zurückgeführt, wodurch die Kanten schärfer abgebildet werden.
Die beim Plasmapolieren erzielte Oberflächenrauigkeit liegt im Bereich des Mikrostrahlens. Bei der Messung des entsprechenden Materialabtrags wurde mit ca. 110 μm die geringste Form- und Maßhaltigkeit detektiert. Besonders auffallend ist die hohe Standardabweichung von 60 μm.
Durch die Anwendung des Gleitschleifens bei den Anbietern A4 bis A7 wurden stark unterschiedliche Oberflächenrauigkeiten erzielt. Beispielsweise wurde der Sa im Vergleich zum Ausgangszustand durch den Anbieter A4 um durchschnittlich 5 % und durch den Anbieter A7 um durchschnittlich 92 % gesenkt. Gleichzeitig fielen durch das längere und intensivere Gleitschleifen bei Anbieter A7 im Vergleich zu Anbieter A4 die Kantenverrundung und der Materialabtrag auch um das 4,6- bzw. 3,6-fache höher aus. Dieser gegensätzliche Zusammenhang zwischen Oberflächenrauigkeit sowie Kantenverrundung und Materialabtrag ist auch bei den anderen Anbietern des Gleitschleifens A5 und A6 festzustellen.
Im Gegensatz zu dem elektrochemischen Nachbearbeitungsverfahren Plasmapolieren werden bei den mechanischen Nachbearbeitungsverfahren Gleitschleifen und Mikrostrahlen insbesondere die Spitzen im Rauigkeitsprofil abgetragen, wohingegen die Täler bestehen bleiben. Dadurch kann bei ausreichendem Materialabtrag eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit erzielt werden. Gleichzeitig resultiert hieraus eine hohe Kantenverrundung. Bei elektrochemischen Nachbearbeitungsverfahren, bei denen Material annähernd homogen über dem gesamten Rauigkeitsprofil abgetragen wird, bleibt die Form des Bauteils nahezu erhalten. Dies ist an den geringen Werten für die Kantenverrundung zu erkennen. Allerdings bleibt auch bei einem vergleichsweise großen Materialabtrag das Rauigkeitsprofil weitestgehend bestehen. Demnach spielt die Ausgangsrauigkeit bei elektrochemischen Nachbearbeitungsverfahren eine größere Rolle als bei mechanischen Nachbearbeitungsverfahren.
Zusammenfassung und Ausblick
Die vorliegende Benchmark-Analyse verdeutlicht, dass eine Bewertung und ein Vergleich verschiedener Nachbearbeitungsverfahren neben wirtschaftlichen Aspekten nicht alleine durch die erzielbare Oberflächenrauigkeit bewertet werden kann. Dies liegt daran, dass durch eine längere oder intensivere Anwendung eines Nachbearbeitungsverfahrens häufig deutlich geringere Oberflächenrauigkeiten erzielt werden können, wobei dabei allerdings die Form- und Maßhaltigkeit der Bauteile enorm negativ beeinflusst werden.
Diese Zusammenhänge müssen bei der Auswahl eines Nachbearbeitungsverfahrens bekannt sein. Aus diesem Grund plant der Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth in Zusammenarbeit mit der Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer IPA, die vorliegende Benchmark-Analyse um zusätzliche Nachbearbeitungsverfahren zu erweitern. Zudem sollen die bei Prüfkörperinnenflächen erzielbaren Eigenschaften in Abhängigkeit verschiedener Nachbearbeitungsverfahren und im Vergleich zu den Prüfkörperaußenflächen analysiert werden.
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
www.prozessinnovation.fraunhofer.de
Universität Bayreuth
Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik
www.lup.uni-bayreuth.de
Die Autoren
Alexander Mahr, Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA (Tel.: +49 921 78516–228, E-Mail: alexander.mahr@ipa.fraunhofer.de) und Andreas Hofmann, Universität Bayreuth, Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik.
