Die additive-subtraktive Fertigungsprozesskette (ASM) ist bei der Herstellung additiv gefertigter Bauteile von entscheidender Bedeutung, da unterschiedliche Vor- und Nachbehandlungsprozesse die Eigenschaften der Bauteile maßgeblich beeinflussen können. Im Rahmen des überbetrieblichen Kooperationsprojekts „Ad-Proc-Add“ des ecoplus Mechatronik-Cluster haben Wissenschaftler der GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V. die Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Bauteileigenschaften bei SLM-gefertigten Teilen untersucht und optimierte Prozessparameter entwickelt.
Vor- und Nachbehandlungsverfahren, wie Wärmebehandlungsprozesse nach der additiven Fertigung, Entfernung von Stützstrukturen, subtraktive Prozesse zur Verbesserung der Oberflächenfunktionalität und Endbearbeitungsverfahren zur Erzielung definierter Oberflächeneigenschaften, spielen eine entscheidende Rolle für die finale Funktionalität der Bauteile. Die sorgfältige Abstimmung dieser Prozesse kann die Bauteileigenschaften erheblich beeinflussen. Insbesondere bei Werkstücken aus Maraging-Stahl 1.2709, der in der additiven Fertigung durch SLM (selektives Laserschmelzen) häufig verwendet wird, hängen die Eigenschaften maßgeblich von der Prozesssteuerung, der Wärmebehandlung und der abschließenden Bearbeitung ab. Wärmebehandlungs- und Nachbearbeitungsprozesse führen dabei zu wesentlichen Veränderungen in den Eigenschaften von Werkstücken und Materialien, wie beispielsweise Eigenspannungen und Festigkeit.
Im Rahmen des internationalen „Ad-Proc-Add“-Projekts hat das Forschungsteam unter der Leitung von Dr.-Ing. Heiko Frank von der GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V. einzelne Prozessschritte der additiven Fertigung, Vorbehandlung, Funktionalisierung und Endbearbeitung bei verschiedenen Materialien untersucht. Dabei bestätigten die Analysen unterschiedlicher Wärmebehandlungen von additiv gefertigten Werkstücken aus martensitischem Stahl 1.2709 die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung für optimale Werkstückeigenschaften. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Wärmebehandlung nicht nur Härte und Zähigkeit beeinflusst, sondern auch die Eigenschaften einer anschließenden Beschichtung.
PVD-Beschichtung anstelle einer Wärmebehandlung
Die mechanischen Eigenschaften von martensitischem Stahl 1.2709 werden sowohl von der Aufbaurichtung als auch von der Wärmebehandlung beeinflusst. Werkstücke mit einer Aufbaurichtung von 0 ° zur Aufbauplatte weisen eine höhere Kerbschlagenergie (Kerb parallel zur Schicht) auf als solche mit einer Aufbaurichtung von 90 °. Nach der Wärmebehandlung erhöht sich die Härte von 32–36 HRC auf 51–52 HRC, während die Kerbschlagenergie von 44–60 J auf 12–14 J sinkt, ohne dass die Aufbaurichtung einen signifikanten Einfluss auf diese Eigenschaften hat.
Durch den Ersatz der üblichen Wärmebehandlung für Material 1.2709 mit einer PVD-Beschichtung (Physical Vapor Deposition oder physikalische Gasphasenabscheidung) kann eine vergleichbare Härte erzielt werden, wobei eine Abscheidungstemperatur von etwa 480 °C notwendig ist. Die Kombination von Wärmebehandlung und Beschichtungsabscheidung ermöglicht nicht nur die Einstellung ähnlicher Mikrostrukturen, sondern verbessert auch die Verschleißfestigkeit der beschichteten Werkstücke. Diese Eigenschaften erlauben den Einsatz in Anwendungsbereichen, die mit konventionell hergestellten Bauteilen vergleichbar sind.
Die Forschung auf diesem Gebiet hat das Potenzial, die additiv-subtraktive Prozesskette weiter zu optimieren und somit die Qualität und Funktionalität von additiv gefertigten Bauteilen zu verbessern. (ch)
