Technologieangebote

Verfahren zur Erzeugung von auf die zerspanende Nachbearbeitung optimierte Metallstrukturen in pulverbettbasierte additive Fertigung

Hintergrund

Die Bearbeitung von additiv hergestellten (AM) Metallteilen ist für funktionale Oberflächen notwendig. Diese Nachbearbeitung erfolgt derzeitig auf Basis von Jahrzenten an Erfahrungen aus der Zerspanung von konventionellen Bauteilen. Mit der Gestaltungsfreiheit von AM ist es nun möglich, die Rahmenbedingungen für den Zerspanungsprozess lokal begrenzt zu beeinflussen und damit die Schnittbedingungen gezielt zu verbessern. Insbesondere Pulverbett basierte (PBF)-Verfahren bietet hierfür vielfältige Steuerungsmöglichkeiten.

Dies wird nötig, bei der Nachbearbeitung von Hochleistungsbauteilen aus der Luft- und Raumfahrt und anderen anspruchsvollen Industrien.

Problemstellung

Additive Verfahren, insbesondere pulverbettbasierte 3D-Druckverfahren (wie z. B. Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren) sind vergleichsweise kostenintensiv. Die damit herzustellenden Bauteile sind daher meist hochoptimiert und weisen oftmals dünnwandige und bionische Strukturen auf. Aufgrund der für Funktionsflächen, wie z. B. Dichtsitze oder Führungsflächen, unzureichende Oberflächengüten aus den LPBF Verfahren, werden spanende Nachbearbeitungsschritte benötigt. Zudem werden im LPBF Prozess oftmals Stützstrukturen benötigt, die ebenfalls spannend bearbeitet bzw. entfernt werden müssen. Durch die spanende Nachbereitung, oder auch durch die Einspannung bzw. Klemmung des Bauteils, entstehen teils erhebliche Prozesskräfte. Insbesondere bei komplexen, filigranen oder dünnwandigen Bauteilen kann ein Ausüben solcher hohen Kräfte sich negativ auf die Qualität des Bauteils, aber auch auf die eingesetzten Werkzeuge, auswirken. 

Lösung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben ein Verfahren entwickelt, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und die spanende Bearbeitung von AM Bauteilen zu vereinfachen. Während des LPBF-Prozesses besteht das typische Ziel darin, ein vollständig dichtes Material zu erzeugen. Erfindungsgemäß werden hierbei die zu zerspanenden Bereiche des Bauteils in Form einer porösen Struktur ausgelegt. Diese porösen Bereiche besitzen eine verringerte Dichte im Vergleich zu den nicht abzutragenden Bereichen des Bauteils. Die poröse Struktur kann dadurch einfacher und ohne das Auftreten von hohen Prozesskräften abgetragen werden. Während der Herstellung des Bauteils werden bei den PBF Verfahren pulverförmige Werkstoffe mittels eines Energiestrahls (z. B. Laser (LPBF) oder Elektronenstrahl (PBF-EB)) aufgeschmolzen. Durch das Absenken der induzierten Energie während des Prozesses kann durch die entsprechende Wahl der Parameter die Dichte und Festigkeit verschiedener Bauteilbereiche gezielt eingestellt werden, um feste oder poröse Bereiche zu erzeugen. Im nachfolgenden Bearbeitungsschritt wird dann die poröse Struktur entfernt, um das fertige Bauteil zu erreichen.

Anhand erster Untersuchungen konnten entscheidende Vorteil der geschwächten Struktur zur Reduzierung der Bearbeitungskräfte beim Bohren und Fräsen aufgezeigt werden. So konnten die auftretenden Prozesskräfte beim Fräsen um bis zu 45 % reduziert werden. Beim Bohren konnten, durch die verbesserte Spanform, höher Oberflächengüten (Rz = 9,7 µm) und eine bessere Zylindrizität (< 0,09 mm) erzeugt werden. Dies hilft bei Bauteilen, die hohen Bearbeitungskräften nicht standhalten können, und gibt mehr Freiheit für das Design und die Nachbearbeitung von optimierten Komponenten. Es ist besonders vorteilhaft für die anspruchsvolle Bearbeitung von hochmodernen AM-Komponenten

Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch den gezielten Einsatz von porösen Strukturen können zu entfernende Bereiche einfach mittels spanenden Verfahrens abgetragen werden. Dies reduziert auftretenden Prozesskräfte und schont Werkzeug und Bauteil. [Bildquelle: IfW Universität Stuttgart]
Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Durch den gezielten Einsatz von porösen Strukturen können zu entfernende Bereiche einfach mittels spanenden Verfahrens abgetragen werden. Dies reduziert auftretenden Prozesskräfte und schont Werkzeug und Bauteil. [Bildquelle: IfW Universität Stuttgart]

Vorteile

  • Erleichterung der Nachbearbeitung von Oberflächen um dadurch eine gute Überflächengüte zu erreichen
  • Erleichterung beim Entfernung von Stützstrukturen
  • Erleichterung bei der Herstellung graziler, fragiler Bauteile, welche mittels herkömmlichen Methoden der Nachbearbeitung oft zerstört/beschädigt werden
  • Schonung der zerspanenden Werkzeuge bei der Nachbearbeitung durch Reduktion der auftretenden Prozesskräfte um bis zu 45%

Anwendungsbereiche

Dünnwandige und filigrane Bauteile, wie z.B. topologieoptimierte Bauteile

Publikationen und Verweise

C. Maucher et al., Journal of Production Engineering 2021, Improving machinability of additively manufactured components with selectively weakened material

Exposé
Kontakt
Dr. Dirk Windisch
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
windisch(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
TRL4
Patentsituation
DE 102020119258A1 anhängig
EP 3943218A1 anhängig
Referenznummer
20/032TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.