Die Nachbearbeitung trennt die additive Fertigung vom 3D-Druck

Die Fertigstellung der 3D-gedruckten Shelby Cobra des Oak Ridge National Lab erwies sich als schwierig, da die Oberfläche der kohlefaserverstärkten Karosserie die Textur von Beton aufwies. ORNL

Was die additive Fertigung vom 3D-Druck unterscheidet, sind alle Prozesse, die neben dem Drucken durchgeführt werden. AM beginnt mit der Konstruktion eines Teils speziell für die additive Fertigung, gefolgt von der Programmierung, der Optimierung des Prozesses, dem Druck des Teils und schließlich der Nachbearbeitung.

Das Versprechen eines 3D-Druckers, der fertige Teile in der Art einer Serienproduktion ausspuckt, ist unrealistisch. Einfache Kunststoffteile erfordern möglicherweise Nachbearbeitungsschritte wie das Entfernen von Stützen und müssen möglicherweise geschliffen, poliert, dampfgeglättet, bearbeitet, gefüllt, lackiert, versiegelt, gefärbt und zusammengebaut werden.

Auf dem AM-Markt werden Job-Shops als Servicebüros bezeichnet. Denn sie müssen eine Reihe von Dienstleistungen anbieten, um das Konzept eines Kunden in die Realität umzusetzen. Wenn Unternehmen 3D-Drucker kaufen, geht es ihnen in der Regel nicht nur darum, Teile zu drucken. Sie wollen AM.

Das Drucken von Teilen, die den Erwartungen entsprechen, erfordert von den Mitarbeitern eines Unternehmens die Anwendung von Fachwissen im Stil eines Servicebüros, einschließlich der Nachbearbeitung.

Einzigartige Herausforderungen

Jeder additive Prozess bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich. Beispielsweise erfordern großformatige Polymerteile in der Regel eine umfangreiche Nachbearbeitung. Sie werden durch Extrudieren und Übereinanderschichten von Schichten aus heißem, geschmolzenem Kunststoff hergestellt.

Beim Abkühlen schrumpft der Kunststoff um etwa 0,5 %. Dies mag unbedeutend erscheinen, aber für ein 20 Fuß langes Teil würde das etwa 1 Zoll entsprechen – eine erhebliche Ungenauigkeit.

Der Werkzeugbau ist eine der Hauptanwendungen für AM im großen Maßstab. Teile direkt aus dem Drucker haben eine kordähnliche Textur. Sie müssen nach dem Drucken und Abkühlen bearbeitet werden. Die Bearbeitung kann länger dauern als das Drucken.

Prototypenautos oder Prunkstücke erhalten ein Class-A-Finish. Das Oak Ridge National Laboratory hat bekanntermaßen eine Nachbildung der Shelby Cobra in 3D gedruckt, um das 50-jährige Jubiläum des legendären Rennwagens zu feiern. Vor der Nachbearbeitung sah das Fahrzeug kühl aus, die Oberfläche war jedoch rau. Mit Hilfe der Endbearbeitungsexperten von Tru-Design LLC wurde ein Verfahren zur Endbearbeitung solch großformatiger additiver Teile entwickelt.

Das Schleifen erwies sich als schwierig, da die Oberfläche des kohlefaserverstärkten Materials Beton ähnelte. Die ersten Schleif- und Grundierungsversuche funktionierten, waren aber keine dauerhafte Lösung. Die besten Ergebnisse wurden durch Auftragen eines proprietären Sprühfüllers erzielt, der das Schleifen und Lackieren ermöglichte und ein Showcar-Finish ergab.

Drahterodiermaschinen werden häufig zur Nachbearbeitung eingesetzt, um 3D-gedruckte Metallteile von ihren Grundplatten zu trennen. Protolabs hat dieses Teil gedruckt, das das EDM Tech Center Berichten zufolge in 56 Minuten mit einem SSG WEDM von seiner Grundplatte entfernt hat. EDM Tech Center Inc.

Metallunterschiede

Der 3D-Druck von Metallteilen ist eine ganz andere Geschichte als der Kunststoffdruck. Fused Filament Fabrication (FFF) – ein beliebtes Verfahren zum Drucken von Kunststoffteilen, bei dem geschmolzener Kunststoff extrudiert wird – kann auch zur Herstellung von Metallteilen verwendet werden. FFF-Metallteile erfordern eine erhebliche Nachbearbeitung.

Bei Metall-FFF besteht das Rohmaterial aus einem Filament mit einem Kunststoff- oder Wachsbinder, der stark mit Metallpulver beladen ist. Der Binder muss nach dem Drucken entfernt werden. Der Entbinderungsprozess kann mit Hitze oder einem Säurebad erfolgen.

Nach dem Entbindern wird das Teil gesintert. In dieser Phase kommt es zu einer erheblichen Schrumpfung. Die gute Nachricht ist, dass die Schrumpfung vorhersehbar ist, sodass einigermaßen genaue Teile gedruckt werden können.

Ein weiteres Verfahren zum Metalldruck ist das Binder Jetting; Es gelten ähnliche Nachbearbeitungsanforderungen wie bei FFF. Beim Binder-Jetting wird eine Schicht Metallpulver verteilt, auf die ein Druckerkopf selektiv einen Binder in einem Muster aufsprüht, das auf dem Design des Teils basiert. Anschließend wird das Bindemittel ausgehärtet und eine weitere Schicht Metallpulver aufgetragen.

Wenn das Teil fertig ist, muss das es umgebende Pulver entfernt werden – ein Vorgang, der als Entpulverung (oder Entklumpen) bezeichnet wird. Anschließend wird es gesintert, wodurch auch Bindemittel entfernt wird. Abschließend wird das Teil bearbeitet und poliert.

Eine LMD-Maschine (Laser Metal Deposition) ist mit einem Laser ausgestattet, der aufgesprühtes Metallpulver oder Draht schmilzt, um Teile Schicht für Schicht aufzubauen. Diese Teile müssen in der Regel nach dem Drucken bearbeitet werden, um eine akzeptable Oberflächenbeschaffenheit zu erzielen.

Um die Teilehandhabung zu minimieren und das Ziel zu erreichen, ein fertiges Teil direkt aus der Maschine zu bekommen, stehen Hybridmaschinen zur Verfügung, die über Ablageköpfe und umfassende Bearbeitungsmöglichkeiten verfügen.

LPBF (Laser-Pulverbettschmelzen) ist die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von Metallteilen. Pulverschichten werden gestapelt und mit einem fokussierten Laserstrahl miteinander verschmolzen. Während das LPBF-Verfahren starke, präzise Teile druckt, können diese dennoch einer Nachbearbeitung bedürfen.

Sobald überschüssiges Pulver von einem 3D-gedruckten Teil entfernt wurde, muss das Teil normalerweise von seiner Bauplatte entfernt werden. Manche Leute erledigen die Arbeit mit einer Bandsäge, aber die meisten verwenden eine Drahterodiermaschine.

3D-gedruckte Shelby Cobra. ORNL

Je nach Anwendung können Teile wärmebehandelt oder einer heißisostatischen Presse unterzogen werden, um die Mikrostruktur des Materials zu verbessern. Einige Oberflächen mit hohen Toleranzen können bearbeitet werden. Viele Poliertechniken, einschließlich Sandstrahlen, können das Finish verbessern.

Schlüssel zur Serienproduktion

Offensichtlich ist die additive Fertigung viel mehr als nur der 3D-Druck von Teilen. Nachbearbeitungsschritte sind ebenso wichtig wie der additive Prozess, um die Vorstellung eines Kunden von einem Teil zu verwirklichen.

Um dies sicherzustellen, ist Fachwissen in der Nachbearbeitung von entscheidender Bedeutung. Es ist auch von entscheidender Bedeutung für den Abschluss des Übergangs vom 3D-Druck zum seriellen AM.