Mit der Anzahl der Teile in 3D gewinnt die Nachbearbeitung an Bedeutung

Mit steigenden Produktionsmengen gewinnt die effiziente Nachbearbeitung 3D-gedruckter Teile immer mehr an Bedeutung. Bild: ProtoCAM

Seien wir ehrlich – die Teile, die aus den meisten 3D-Druckern kommen, sind … ein wenig hässlich. Es müssen Stützstrukturen entfernt, Pulver und Harz entfernt und kritische Oberflächen und Merkmale bearbeitet werden. Ohne diese Sekundäroperationen sind gedruckte Teile von geringem Wert.

Wie Ihnen jeder Teilekonstrukteur bestätigen wird, mag die Komplexität bei der additiven Fertigung (AM) kostenlos sein, aber die Nachbearbeitung, die erforderlich ist, um seine neueste Idee funktional und ästhetisch ansprechend zu machen, ist mit erheblichen Kosten verbunden.

„Zwei Drittel unserer Einrichtung sind für Nachbearbeitungstechniker und -geräte vorgesehen – nur ein Drittel entfällt auf den eigentlichen Druck“, sagte Ed Graham, Vizepräsident für additive Fertigung bei ProtoCAM, einem Servicebüro in Allentown, Pennsylvania. „Und von diesen Technikern Die durchschnittliche Amtszeit beträgt 15 Jahre. In dieser Hinsicht haben wir großes Glück, denn wenn man Leute mit diesen Fähigkeiten braucht, gibt es keinen Ort, an den man sich wenden kann. Für mich ist das Drucken der einfachere Teil der additiven Fertigung. Die Nachbearbeitung ist schwierig.“

Ein harter Schlagabtausch

Doch was macht die Nachbearbeitung so schwierig und warum ist sie überhaupt notwendig? Da laserbetriebene Drucker mehr kosten als die meisten CNC-Werkzeugmaschinen – und oft sogar noch viel mehr – könnte man meinen, sie könnten Teile zur Hauptsendezeit liefern, ohne dass menschliches Reinigen, Strahlen, Schaben und Schleifen erforderlich wäre.

Um diese Fragen zu beantworten, ist es notwendig, den 3D-Druckprozess zu verstehen. AM funktioniert, wie der Name schon sagt, indem es einem Werkstück nach und nach Material hinzufügt, normalerweise eine hauchdünne Schicht nach der anderen. Und so wie ein Bürogebäude möglicherweise eine Aussteifung benötigt, um die Wände und Böden während des Baus stabil zu halten, so erfordern auch viele additive Verfahren Stützen in Form von gitterartigen Strukturen, um zu verhindern, dass das entstehende Werkstück während seiner Produktion durchhängt oder sich verzieht. Diese Stützen müssen nach dem Bau entfernt werden.

Der schichtweise Aufbauprozess erzeugt auch einen Treppenstufeneffekt auf allen nicht horizontalen Teiloberflächen. Diese Schichten erfordern typischerweise ein gewisses Maß an Glättung, sobald das Teil die Kammer verlassen hat, und Funktionsflächen müssen möglicherweise nachbearbeitet werden. Löcher müssen beispielsweise häufig aufgebohrt oder gebohrt werden. Gewindeteile müssen mit Gewinde versehen oder gefräst werden; Und abhängig von der Größe des Werkstücks, seiner Geometrie und der Art des verwendeten additiven Prozesses müssen Merkmale mit Abmessungsspezifikationen von weniger als etwa ±0,005 Zoll auf einem CNC-Bearbeitungszentrum, einer Drehmaschine, einer Erodiermaschine oder einer Schleifmaschine nachbearbeitet werden.

Auch das Rohmaterial ist zu berücksichtigen. Teile, die aus einem Pulverbett-3D-Drucker entnommen werden, ähneln einem schlecht gebackenen Kuchen, in dessen Taschen und Spalten Metall- oder Kunststoffklumpen stecken, während diejenigen, die aus dem Bottich eines harzbasierten Druckers austreten, oft eine klebrige Masse sind. Auch hier muss das gesamte überschüssige Pulver oder Harz vom neugeborenen Werkstück entfernt und das übrig gebliebene Material für die spätere Verwendung zurückgewonnen werden.

Gedruckte Metallteile – ein Hauptgrund für das erhebliche Wachstum von AM in den letzten Jahren – müssen von ihrer Bauplatte abgeschnitten und anschließend wärmebehandelt werden, um die während des Druckprozesses erzeugten inneren Spannungen zu beseitigen. Nach Abschluss der gerade beschriebenen Sekundärprozesse werden die Teile häufig lackiert, eloxiert oder plattiert, genau wie bei subtraktiv gefertigten Bauteilen.

Ebenso können Polymerteile bemalt oder plattiert werden, werden aber oft in einem Verfahren gefärbt, das dem Färben von Ostereiern ähnelt.

Ein Harzteil vor und nach der Nachbearbeitung.

Das Verlangen nach Geschwindigkeit

Glücklicherweise werden in der Zerspanungs- und Fertigungsindustrie bereits seit Jahrhunderten hergestellte Teile nachbearbeitet, und praktisch alle hierfür verwendeten traditionellen Methoden sind bei 3D-gedruckten Komponenten gleichermaßen effektiv. Doch während AM sich von einer Technologie, die lange Zeit nur auf Prototypen beschränkt war, zu einem Mainstream-Teilfertigungsprozess für den Endverbrauch entwickelt, besteht die Herausforderung darin, diese Prozesse zu skalieren und zu automatisieren, um die additive Massenproduktion zu unterstützen.

„Derzeit gibt es in der Branche einen echten Wandel“, sagte Graham. „Während es möglicherweise kosteneffektiv wäre, menschliche Arbeitskräfte zur Fertigstellung eines Prototyps oder sogar einiger Dutzend Teile einzusetzen, sehen wir jetzt Bestellungen für 1.000 Stück oder mehr. Aus diesem Grund werden effizientere Nachbearbeitungsmethoden jetzt immer wichtiger, da in letzter Zeit der Schwerpunkt auf Endverbrauchsmaterialien, schnelleren Druckzeiten, größeren Bauräumen und letztendlich höheren Produktionsmengen liegt. „Effiziente Nachbearbeitung ist mehr als ein Bedürfnis nach Geschwindigkeit. Jedoch. Graham sagte, Reproduzierbarkeit und Konsistenz seien gleichermaßen wichtige Eigenschaften, die mit der manuellen Teilebearbeitung nur schwer zu erreichen seien.

Dies erklärt die jüngste Investition von ProtoCAM in eine automatisierte Teilereinigungsmaschine von DyeMansion North America, die ProtoCAM zur Nachbearbeitung von Teilen aus seinen HP MultiJet Fusion 3D-Druckern verwendet.

Datengesteuert

Ähnliche Systeme sind von PostProcess Technologies Inc., Buffalo, NY erhältlich, das Geräte zur Entfernung von Stützen und zur Oberflächenveredelung für alle 3D-gedruckten Materialien und Drucktechnologien anbietet.

Der leitende technische Trainer Andy Kottage sagte, dass die automatisierte, kostengünstige Nachbearbeitung von drei Elementen abhängt: Hardware, Software und Chemie. Und jedes wird entsprechend der einzigartigen Kombination aus Teilematerial und Geometrie angewendet.

„Alle unsere Lösungen berücksichtigen diese Elemente, aber die nötige Intelligenz beginnt bei der Software“, erklärte er. „Additive Fertigung ist ein sehr datengesteuerter Prozess, und wir haben schon früh erkannt, dass wir diese Daten nutzen können, um die chemische und mechanische Energie zu verwalten, die für die Nachbearbeitung von Teilen benötigt wird, und dabei die Aktionen eines erfahrenen Technikers sehr genau simulieren.“

Wie funktioniert der Prozess? Jeder, der sein Fahrzeug schon einmal durch eine Autowaschanlage gefahren hat, würde den PostProcess-Ansatz verstehen, mit der Ausnahme, dass diese Autowaschanlage einen präzisen Strahl von Schleifmitteln oder Chemikalien mit dem erforderlichen Druck und der erforderlichen Geschwindigkeit leitet, um jede Stufe, jede Stütze und jedes bisschen Pulver zu entfernen. Und was für Werkstätten, die Teile in Hunderten oder Tausenden herstellen, am wichtigsten ist: Das System ist für die automatisierte Massenproduktion konzipiert.

PostProcess Tech verfügt außerdem über eine Tauchtechnologie, bei der Werkstücke frei in einem Korb in einem Tank schweben können und dann über ein fortschrittliches Pumpsystem Ultraschallenergie, Wärme und Chemie ausgesetzt werden, die dabei hilft, das Teil zu bewegen und es innerhalb des Behälters „zu taumeln“. Bad für eine effektivere Belichtung, sagte Kottage. Es ist in erster Linie für Produkte konzipiert, die mit Fused Deposition Modeling, PolyJet, Stereolithographie und anderen polymerbasierten Druckern hergestellt werden.

Durch die Fixierung der Werkstücke in der Schüssel sorgt der Rotationsvibrator R 150 DL-2 von Rösler für eine gründliche und vorhersehbare Endbearbeitung vieler 3D-gedruckter Bauteile.

Kein One-Stop-Shopping

Bernie Kerschbaum, CEO von Rösler Metal Finishing USA, Battle Creek, Michigan, sagte, die Nachbearbeitung sei alles andere als eine Einheitstechnologie.

„Viele Leute kommen in die additive Fertigung und fragen: ‚Okay, welche Art von Endbearbeitungsmethode ist für mein Teil die richtige?‘“, sagte er. „Das Problem ist, dass es keine einzige Methode gibt und es oft nicht einmal ein einstufiger Prozess ist.“

Kerschbaum sagte, Röslers Herangehensweise an die Nachbearbeitung unterscheide sich nicht wesentlich von dem Verfahren zur Massenbearbeitung von Guss- und Schmiedeteilen, spritzgegossenen Kunststoffteilen, Metallstanzteilen und bearbeiteten Komponenten – Produkten, mit denen sich das in Deutschland ansässige Unternehmen seit 1933 auseinandersetzt. Und wie bei herkömmlich gefertigten Teilen können auch bei der Nachbearbeitung 3D-gedruckter Teile je nach Faktoren zahlreiche Methoden zum Einsatz kommen.

„Es spielt keine Rolle, wie die Teile hergestellt wurden“, sagte er. „Ob additiv oder subtraktiv … zu einer erfolgreichen Nachbearbeitung gehört eigentlich nicht viel mehr, als den richtigen Prozess oder die richtige Kombination von Prozessen zu finden, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Erfahrung in der Lösung von Herausforderungen bei der Oberflächenveredelung und ein gutes Verständnis der gesamten Produktionskette helfen dabei, für jedes Teil die kostengünstigste Lösung zu finden.“

Die DECI-Maschine von PostProcess Technologies soll unabhängig von der Geometrie einheitliche, qualitativ hochwertige Ergebnisse für jedes 3D-gedruckte Teil liefern.