Nachbearbeitung in der additiven Fertigung – Verfahren und Maschinenhersteller

Die additive Fertigung von Bauteilen bietet viele Vorteile. Allerdings ist die Nachbearbeitung, bzw. das Post-Processing, dieser Bauteile oft unerlässlich, um die gewünschten Eigenschaften und Oberflächenqualitäten zu erreichen. Dieser Text beschreibt verschiedene Verfahren der Nachbearbeitung (Post-Processing). Außerdem gibt er einen Überblick über einige Hersteller von Nachbearbeitungsanlagen.

Evelin Eitelmann, Redakteurin, Zentralredaktion Konradin Industrie

Inhaltsverzeichnis
1. Warum ist eine Nachbearbeitung im 3D-Druck notwendig?
2. Welche Verfahren zur Nachbearbeitung 3D-gedruckter Bauteile gibt es?
3. Webinartipp: Der letzte Schliff – Post-Processing für das perfekte Produkt
4. Wer sind die Hersteller von Maschinen für die Nachbearbeitung von Bauteilen

Das US-amerikanische Unternehmen PostProcess Technologies veröffentlichte bis in das Jahr 2023 jährlich einen Trend Report zum Thema Nachbearbeitung in der additiven Fertigung. Für das Jahr 2022 gab das Unternehmen als die drei am meisten angewandten Nachbearbeitungsmethoden an:

• Entfernung von Stützstrukturen
• Entfernung von Resin (Harzen)
• Oberflächenveredelung

Der am häufigsten genannte Problempunkt bei der Nachbearbeitung sei die Dauer, die für die Nachbearbeitung von Teilen gegenüber deren additiver Fertigung benötigt werde. Viele der Nachbearbeitungsverfahren erfolgen – noch – manuell. Außerdem sei die Pulverentfernung der Bereich, der Unternehmen gemessen an ihren Gesamtausgaben für die additive Fertigung am meisten koste, so die Studie.

Warum ist eine Nachbearbeitung im 3D-Druck notwendig?

Die Gründe für das Post-Processing sind vielfältig und am besten mit einem kurzen Blick auf einzelne Beispiele von 3D-Druck-Verfahren zu erläutern. Nicht alle 3D-Druck-Verfahren, bzw. deren daraus resultierende Bauteile, benötigen den gleichen Aufwand. Zu den Verfahren, deren Bauteile eine Nachbearbeitung erfordern, gehören zum Beispiel

im Kunststoff-3D-Druck: 

• Stereolithographie (SLA): Die hierbei entstehenden Stützstrukturen müssen entfernt werden. Außerdem erfolgt eine Nachhärtung des Bauteils unter UV-Licht, und das Bauteil muss gereinigt werden.
• Fused Deposition Modeling (FDM): FDM-Teile erfordern das Entfernen von Stützen und eine Oberflächenbehandlung, um die sichtbaren Schichtlinien zu glätten.

im Metall-3D-Druck:

• Laser Powder Bed Fusion (LPBF): Das LPBF-Verfahren erfordert ein Entpulvern, das Entfernen von Stützstrukturen und oft eine Wärmebehandlung sowie Sandstrahlen oder Gleitschleifen.

Die Wahl des 3D-Druck-Verfahrens und des Materials bestimmen also im Wesentlichen die Anforderungen an das Post-Processing. Mit den richtigen Nachbearbeitungsverfahren können also die Oberflächen der Bauteile geglättet, die Bauteile verstärkt, ihre Funktion erweitert oder die Bauteile ästhetisch veredelt werden.

Welche Verfahren zur Nachbearbeitung 3D-gedruckter Bauteile gibt es?

Es gibt eine Vielzahl von Nachbearbeitungsverfahren, die je nach Material, 3D-Drucktechnologie und gewünschtem Endergebnis eingesetzt werden können. 

Ganz klar, Reinigen und das Entfernen der Stützstrukturen sind die wichtigsten:

• Reinigen: Nach der additiven Fertigung müssen die Bauteile gereinigt werden. Dabei wird überschüssiges Material entfernt. Bei den Pulverbettverfahren wird durch das Pulver beim Depowdering entfernt. Bei 3D-Druck-Verfahren, die auf Harzen basieren, muss das Material, das nicht photopolymerisiert wurde, durch Spülen entfernt werden. 
• Entfernen von Stützstrukturen, bzw. Supportmaterial (Entstützen): Viele 3D-Druck-Verfahren erfordern Stützstrukturen, um Überhänge und komplexe Geometrien zu drucken. Diese müssen nach dem 3D-Druck manuell oder maschinell entfernt werden. Es entstehen Unebenheiten an den Stellen, an denen sie zuvor mit dem Bauteil verbunden waren. Daher sind häufig weitere Schritte zur Nachbearbeitung nötig. Ein Sonderfall: Mit einem 3D-Drucker mit zwei Extrudern können Anwender  lösliche Stützstrukturen drucken, die sich in Wasser auflösen und keine Spuren am Bauteil hinterlassen. 

Um die Oberflächen der Bauteile zu glätten, bieten sich unter anderem folgende Post-Processing-Verfahren an:

• Strahlen, Schleifen und Polieren: Bei den pulverbasierten Verfahren reicht das normale Reinigen nicht aus. Zur Reinigung und insbesondere zur Glättung der Bauteiloberflächen sind unterschiedliche Strahlverfahren (z.B. Sandstrahlen) oder Gleitschleifverfahren im Einsatz. Dies kann manuell erfolgen oder maschinell, zum Beispiel durch Vibrationsschleifen oder Trommelpolieren. 
• Oberflächenbehandlung: Verfahren wie Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder chemisches Glätten (z.B. Vapour Smoothing) verbessern die Oberflächenbeschaffenheit und können gleichzeitig die mechanischen Eigenschaften verbessern.

Vapour Smoothing als Nachbearbeitungsverfahren im Kunststoff-3D-Druck

Zur Verstärkung von Bauteilen dienen unter anderem:

• Wärmebehandlung: Bei Metallteilen ist eine Wärmebehandlung häufig erforderlich, um Spannungen abzubauen und die mechanischen Eigenschaften zu optimieren. Wichtig: Erst danach werden die Bauteile entstützt.
• UV-Aushärten: Zur Erreichung endgültiger Materialfestigkeiten werden auf Photopolymeren basierende Bauteile im UV-Licht nachbelichtet und damit vollständig ausgehärtet.

Funktionen von Bauteilen herstellen/erweitern unter anderem folgende Verfahren: 

• CNC-Nachbearbeitung: Für präzise Toleranzen und hochwertige Oberflächen wird manchmal eine CNC-Nachbearbeitung (Fräsen, Drehen) eingesetzt. Dies geschieht bei Bauteilen, die nur mit konturnahen Geometrien additiv gefertigt werden konnten.
• Sintern: Bei einigen Verfahren werden lediglich die sogenannten Grünteile, die Rohlinge, additiv erzeugt. Erst im nachgeschalteten Sinterprozess entsteht das eigentliche Bauteil. Dies ist immer mit Schwund am Bauteil verbunden.

Folgende Verfahren (Auswahl) veredeln die Bauteile ästhetisch:

• Dyeing / Einfärben: Das optische Erscheinungsbild pulverbasierter Polymerbauteile lässt sich durch ein nachgeschaltetes Einfärben deutlich verbessern.
• Lackieren / Beschichten: Zur Verbesserung der Ästhetik oder zum Schutz vor Umwelteinflüssen werden 3D-gedruckte Teile oft lackiert oder mit Schutzbeschichtungen versehen.

Webinartipp: Exklusives Webinar mit HP

Der letzte Schliff – Post-Processing für das perfekte Produkt

Wenn ein Produkt aus dem 3D-Drucker kommt, kann es veredelt werden. Genau wie ein herkömmlich gefertigtes Kunststoff- oder Metallteil. Das Webinar (Teil 4 einer Webinarreihe) stellt die wichtigsten Möglichkeiten und Herausforderungen bei der Nachbearbeitung vor: Wie Sie Stützstrukturen entfernen und Bauteile zusammenfügen, glänzende Oberflächen, satte Farben oder spezielle Gravuren erzeugen. Damit wird ein Rohteil zum individuellen, optional sogar personalisierten Produkt.

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Wer sind die Hersteller von Maschinen für die Nachbearbeitung von Bauteilen?

Viele 3D-Drucker-Hersteller bieten ihren Anwendenden eigene Lösungen für das automatisierte Post-Processing, gerade was das Reinigen und das Entstützen anbelangt, und abgestimmt auf ihre additiven Fertigungsmaschinen und den verwendbaren Materialien.

Es gibt  eine Reihe von Unternehmen, die spezialisierte Maschinen und Ausrüstungen für die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen herstellen – ausführliche Beratung zur Oberflächentechnik inklusive. Hier eine Auswahl in Deutschland ansässiger Unternehmen:

AM Solutions – Rösler Oberflächentechnik GmbH, Untermerzbach, Bayern: Das Unternehmen bietet Anlagen unabhängig vom 3D-Druck-Verfahren und dem Material. Es unterstützt Anwendende bei allen Entwicklungsschritten der additiven Fertigungstechnologien, von der Wertfindung über Machbarkeitsanalysen, Engineering und Prototyping bis hin zur Produktion von voll funktionsfähigen Bauteilen. 

Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Stützenentfernen
• Strahlen
• Honen, Läppen, Polieren
• Färben
• Werkstückreinigung

Formel-1-Team Kick Sauber und AM Solutions verlängern Partnerschaft

ASM GmbH, München, Bayern: Das Unternehmen bietet eine kompakte Glättungsanlage für Polymere, besitzt derzeit keinen Internetauftritt, ist allerdings auf der Fachmesse Formnext vertreten. Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Honen, Läppen, Polieren
• Beschichten, Lackieren
• Werkstückreinigung

BMF GmbH, Grüna, Sachsen: Die BMF GmbH wurde 2007 als Familienunternehmen gegründet und beschäftigt sich mit der Fertigung hochwertiger Prototypen, Einzelteile und Kleinserien für verschiedenste Branchen. Mit den  Strahlanlagen Twister und Tornado von BMF werden inzwischen zahlreiche druckluftabhängige Ausrüstungen für die Reinigung additiv gefertigter Bauteile abgelöst. 

Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Strahlen

DyeMansion GmbH, Planegg-München, Bayern: Das Unternehmen ist ein Anbieter von kompletten, vernetzten und voll integrierten End-to-End Lösungen für alle Nachbearbeitungsschritte.

Es ist spezialisiert auf

• automatisierte Entpulverung
• verschiedene Surfacing-Optionen 
• Färbung von 3D-gedruckten Kunststoffteilen

joke Technology GmbH, Bergisch Gladbach, Nordrhein-Westfalen: Das Unternehmen widmete sich zunächst der Perfektion von Oberflächen und vereint Qualität mit Service. Heute ist joke Europas größter Fachhandel und der ideale Ansprechpartner rund um die Feinstbearbeitung für die Oberflächen-Endbearbeitung.

Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Fräs-, Dreh-, Schleifbearbeitung
• Stützenentfernen
• Strahlen
• Honen, Läppen, Polieren
• Laseroberflächenbehandlung
• Werkstückreinigung

Kollege Roboter übernimmt das Post-Processing

Otec Präzisionsfinish GmbH, Straubenhardt, Baden-Württemberg:  Als Spezialist im Bereich Gleitschleifen entwickelt und produziert Otec moderne Maschinenkonzepte für eine perfekte Oberflächenbearbeitung. Die ausschließlich „Made in Germany“ gefertigten Schleif- und Poliersysteme bieten eine gute Lösung hinsichtlich Präzision und Wirtschaftlichkeit.

Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Fräs-, Dreh-, Schleifbearbeitung
• Honen, Läppen, Polieren
• (Elektro-)Chemisches Abtragen

Schmid & Wezel GmbH, Maulbronn, Baden-Württemberg: Das 1919 gegründete Unternehmen Schmid & Wezel entwickelt und produziert qualitativ hochwertige handgehaltene Druckluftwerkzeuge, die unter dem Markennamen Biax bekannt sind. Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Bearbeitungswerkzeuge und Zubehör
• Stützenentfernen
• Honen, Läppen, Polieren

Schmitt Ultraschalltechnik GmbH, Mühlheim am Main, Hessen: Das Unternehmen  bedient seit über 25 Jahren unterschiedlichste Industriezweige mit Speziallösungen zur Ultraschallreinigung diverser Materialien und Produkte. Es ist spezialisiert auf:

• Reinigungseinrichtungen
• Optimierung von Fertigungsprozessen
• Stützenentfernen
• Färben
• Werkstückreinigung

Solukon Maschinenbau GmbH, Augsburg, Bayern: Das Augsburger Unternehmen verfügt über umfangreiche Erfahrung im Postprocessing und bietet eine breite Palette industrieller Pulververarbeitungssysteme an.

Die Produkte erfüllen höchste Funktionalitäts- und Sicherheitsstandards. Deswegen können die Systeme auch Pulver aus schwer zu handhabenden Materialien, wie zum Beispiel Kupfer entfernen. Durch Inertisierung in einer geschützten Prozesskammer sind Solukon-Anlagen auch für reaktive Materialien wie Titan und Aluminium zugelassen. Das Unternehmen ist spezialisiert auf:

• Reinigungseinrichtungen
• Werkstückreinigung 

Quellen:

• Einen ersten guten Überblick, welches Nachbearbeitungsverfahren bei welchen 3D-Druck-Verfahren eingesetzt wird, gibt der „formnext AM Field Guide“, der in Zusammenarbeit mit der Hochschule Reutlingen entstanden ist.
• das Anbieterverzeichnis der Formnext als Suchmaschine für Anbieter von Post-Processing-Lösungen
• BigRep, Hersteller von 3D-Druckern, die Filamente verwenden, hat sich ausführlich dem Thema Nachbearbeitung gewidmet und gibt vielleicht auch mal noch die eine oder andere Idee für ein Verfahren, das nicht ganz so naheliegend ist. Darüber hinaus bewertet das Unternehmen die Schwierigkeit und Qualität der 14 von ihm vorgestellten Verfahren in einem einfachen Punktesystem. 
• Die Internetseiten der hier vorgestellten Hersteller von Post-Processing-LösungenD