Oberflächen im 3D-Druck

Vortrag beim Workshop zu "Oberflächenmodifikation und Endbearbeitung additiv gefertigter Bauteile" – SurfAM3

September 2021 - In der Gastronomie heißt es: "Das Auge isst mit." und so spielt auch im 3D-Druck die Optik von Bauteilen eine wichtige Rolle. Jedoch nicht nur die Optik, sondern wesentlich mehr Punkte werden durch die Oberflächen von Bauteilen bestimmt. Welche Herausforderungen und Lösungsansätze für Bauteilen aus der generativen Fertigung bestehen, wurde im Workshop vorgestellt und diskutiert. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) veranstaltete die Europäische Forschungsgesellschaft dünne Schichten e.V. (EFDS) den dritten Workshop SurfAM3 zu diesem Thema.

Nachbearbeitung nach Kundenwunsch

PTZ stellte beim Workshop seine Arbeit mit den Bauteilen aus dem 3D-Druck vor. Alltäglich werden die Oberflächen von Bauteilen aus Stereolithografie, Lasersintern, Fused Filament Fabrication (FFF) oder Laserschmelzen (SLM) nachgearbeite. Je nach Kundenwunsch wird Oberfläche abgetragen oder aufgetragen. Dank der Weiterentwicklung der Maschinen sind viele generativ erstellte Bauteiloberflächen sehr gut verwendbar.

Kunststoffverfahren - Designfreiheit mit Präzision verknüpfen

Das älteste Verfahren, Stereolithografie, bringt in modernen Maschinen aus der STL-Maschine eine sehr gute Oberfläche. Die Ansatzpunkte der Stützstruktur vom Aufbau müssen durch Schleifen entfernt werden. Die häufigste Verwendung als Urmodell für Vakuumgussformen erfordert gewöhnlich großflächiges Überschleifen, sowie einen Füller- und einen Lackierprozess. Da das meiste Stereolithografiematerial nicht zu hart ist, kann filigran und funktionsorientiert überschliffen werden.

Beim Lasersintern wird das Bauteil in über 90% der Aufträge gereinigt aus der SLS-Maschine eingesetzt. Überschleifen ist wegen des stabilen Materials (Polyamid) nicht sinnvoll. Wird vorher Spachtel aufgetragen, lässt sich eine glatte Oberfläche realisieren. Der Prozess bleibt dennoch aufwendig. Mit Hilfe des chemischen Glättens kann ein Lasersinterteil durch einen Folgeprozess eine glattere Oberfläche bekommen. Es muss abgewogen werden, ob sich der Abtrag mit den Anforderungen an die Maßhaltigkeit verträgt. Für einzelne Aufträge wird daher CNC-Fräsen nachgesetzt. Das Fräsen konzentriert sich auf Funktionsflächen. So wird Präzision mit der hohen Designfreiheit SLS-Kunststoff verknüpft.

Ähnlich verhält es sich mit dem FDM-Verfahren für Kunststoffteile. Auch diese werden aus dem 3D-Drucker verwendet, nachdem sie von der Stützstruktur gelöst wurden. Lediglich einzelne Ansatzpunkte oder Übergangsstellen vom aufgetragenen Filament werden nachgearbeitet.

Metallverfahren - Strahlen, schleifen oder polieren

Auch wenn es sich beim Laserschmelzen um ein Pulverbettverfahren handelt, reicht dieses nicht zur Positionierung des Bauteils in der Maschine (vgl. Lasersintern). Die metallische Stützstruktur (aus demselben Material wie das Bauteil) muss entfernt werden. Je nach Bauteil und Ausrichtung in der SLM-Anlage nimmt die Nacharbeit mehrere Stunden in Anspruch. Für optisch relevante Teile, z.B. für den Fahrzeuginnenraum, wird der Sichtbereich nachgeschliffen oder in Einzelfällen sogar poliert. Dazu wurden beim Vortrag Musterteile vorgestellt wie auch die Teile mit gefraesten Flächen.

Beim 3D-Metalldruck über das Filamentverfahren (FDM / FFF) verhält es sich ähnlich. Sowohl die Ansätze der metallischen Stützstruktur als auch die Oberflächen bedürfen je nach Anforderung einer Bearbeitung.

Erfahrungen aus Forschung und Anwendung

Bei den meisten Nachbearbeitungen handelt es sich um eine teilweise Bearbeitung der Oberfläche. Das machte auch eine kleine Umfrage unter den Teilnehmern des Workshops deutlich. Aktuelle Entwicklungen für Verfahren fokussieren eine Bearbeitung der gesamten Oberfläche, was nicht notwendig oder nützlich ist. Dazu wurde in den Vorträgen der Siemens AG, der Nehlsen BWB Flugzeug Galvanik der OHB System AG gesprochen.

Fraunhofer IWU, Anlagenbauer Trumpf und Materialanbieter Sindlhauser Materials GmbH stellten dem gegenüber, was die Weiterentwicklung der Maschinen und Materialien für zukünftige Bauteiloberflächen tun kann.

Die Anforderungen und Einflüsse der Bauteile im Einsatz in der Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt oder Maschinen- und Anlagenbau wurden unter anderem durch Vorträge der Medizinischen Fakultät Carl Gustav Carus (TU Dresden), Airbus Deutschland GmbH, MT Aerospace AG oder VON ARDENNE GmbH vorgestellt. Dass machte den Workshop ausgeglichen in Bezug auf Forschung, Entwicklung, Anwendung und Erfahrungsaustausch.

Über PTZ

In der 1996 gegründeten PTZ-Prototypenzentrum GmbH fertigen 25 Mitarbeiter mit modernsten Technologien Erstmodelle, Werkzeuge und Kleinserien für deutsche und europäische Kunden unter anderem aus der Automobilindustrie sowie der Medizin- und Gerätetechnik. Markenhersteller wie Siemens, Bosch, Miele, Fresenius und Ducati sowie viele mittelständische Unternehmen schätzen die Vielfalt an Technologien im Hause PTZ.

Weitere Informationen: www.ptz-prototypen.de