Vor- und Nachteile der Massennachbearbeitung von AM-Teilen und Komponenten

Die Nachbearbeitung ist ein heißes Thema im Bereich der additiven Fertigung (AM), was nicht überrascht, da bei vielen Anwendungen der/die Nachbearbeitungsschritt(e) bis zu 50 % der gesamten Stückkosten eines AM-Teils ausmachen können. Es gilt also, den Zeit- und Kostenaufwand für den Nachbearbeitungsschritt in der Produktentwicklung zu reduzieren und gleichzeitig ein wachsames Auge auf die unablässige Forderung nach Präzision und Wiederholbarkeit in der Produktion zu haben.

Dies hat zur Entstehung neuer Innovationen für die AM-Nachbearbeitung geführt, von denen viele von relativ unerfahrenen Start-up-Unternehmen stammen und von denen viele unverhältnismäßig teuer und übertechnisiert sind. In diesem Artikel möchte ich die Werbetrommel für bewährte Technologien wie die Massennachbearbeitung rühren, die bei der Anwendung auf AM-Teile kostengünstig alle Anforderungen an die Beschaffenheit und Präzision von AM-Teilen erfüllen können.

Das Gleitschleifen wird von vielen fälschlicherweise als eine relativ grobe Technologie angesehen. Man muss sich jedoch darüber im Klaren sein, dass es sich dabei nicht ohne Grund um eine seit Jahrzehnten etablierte Technik der Oberflächenbearbeitung handelt, die je nach Endanwendung eine ganze Reihe von Oberflächeneigenschaften von einfach bis anspruchsvoll liefert. In einigen Fällen kann es zur Erzeugung einer extrem präzisen Oberflächenbeschaffenheit bei sicherheitskritischen Anwendungen eingesetzt werden, wie sie in der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt zu finden sind. Entscheidend ist, dass die Massenfertigung an die Anforderungen an die Oberflächengüte angepasst werden kann und immer die kostengünstigste verfügbare Technologie ist.

Unternehmen, die Endprodukte mittels AM herstellen, müssen sich darüber im Klaren sein, dass sie genauso vorgehen wie Unternehmen, die herkömmliche Fertigungsverfahren anwenden. Die Ziele sind die gleichen, nämlich die Herstellung von Endprodukten, die der Designabsicht entsprechen und wiederholbar und kosteneffizient für den Zweck geeignet sind. Wenn das hergestellte Endprodukt keine anspruchsvolle Oberflächengüte benötigt, dann macht es keinen Sinn, einen hohen Preis für eine technologische Nachbearbeitungslösung zu zahlen, die ein unnötiges Niveau der Oberflächengüte erreicht. Ist hingegen eine anspruchsvolle Oberflächengüte erforderlich, dann gibt es ein zwingendes Argument für den Einsatz einer Technologie wie der Massenveredelung, die sich seit langem bewährt hat und die bei der Anwendung von AM erheblich zur Senkung der Kosten pro Teil beitragen kann.

Gut genug?

Das Gleitschleifen ist wohl das flexibelste Verfahren der Oberflächenbehandlung. Es ist dafür bekannt, dass es unkompliziert, flexibel, transparent, stets wiederholbar und vor allem kostengünstig ist.

Seit vielen Jahrzehnten wird das Gleitschleifen aufgrund seiner enormen Anpassungsfähigkeit für die Oberflächenbehandlung einer Vielzahl von Produkten und Bauteilen in unzähligen Industriezweigen eingesetzt.

Beim Gleitschleifen werden die in die Schleif-/Poliermittelmasse eingebetteten Werkstücke entweder durch Vibration, Zentrifugalkraft, Rotation oder Schleppkraft in eine Relativbewegung zueinander versetzt. Diese unterschiedlichen Kräfte in Kombination mit einer großen Auswahl an Gleitschleifmedien machen das Verfahren unendlich anpassbar an eine Reihe von Endprodukten in einer Vielzahl von Geometrien und Materialien.

AM-gefertigte Teile stellen eine ganze Reihe einzigartiger Herausforderungen dar, wenn es um die Massenveredelung geht. Die unbearbeitete Oberfläche von AM-Teilen ist viel rauer als die von Teilen, die mit herkömmlichen Technologien hergestellt wurden. Darüber hinaus kann ein großer Vorteil von AM als Produktionswerkzeug – nämlich die Fähigkeit zur Herstellung hochkomplexer Geometrien – das Glätten und Polieren extrem erschweren. Wenn man dann noch die besonderen Herausforderungen von AM wie das Auspacken, das Entfernen von losen oder gesinterten Pulverrückständen und das Entfernen von Trägern hinzunimmt, liegt der Bedarf an maßgeschneiderten Lösungen auf der Hand.

Da der Schwerpunkt heute auf der Verwendung von AM für die Produktion liegt, werden Fragen wie die Einhaltung von Maßtoleranzen, die nachprüfbare Qualität der Fertigung und die Übereinstimmung mit der Designabsicht sowie die Oberflächeneigenschaften und das Finish immer intensiver geprüft. Bei der Verwendung als Prototyping-Technologie ist die absolute Einhaltung von Toleranzen und präzisen Designvorgaben nicht immer erforderlich, und es kann ein “gut genug”-Ansatz gewählt werden. Aus diesem Grund gibt es immer mehr preiswerte Desktop-3D-Drucker, die ausreichend genaue Prototypen liefern, ohne perfekt sein zu müssen.

Für Produktionsanwendungen ist “gut genug” jedoch nicht mehr ausreichend. Wenn ein AM-Teil Bestandteil einer sicherheitskritischen Anwendung in der Luft- und Raumfahrt oder in der Medizintechnik ist, wie bereits erwähnt, müssen die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit unbedingt mit der Designabsicht übereinstimmen. Hier spielt die Nachbearbeitung eine wichtige Rolle, und dies ist auch ein Bereich, in dem Anbieter von Massenveredelungstechnologien wie AM Solutions einen entscheidenden Unterschied machen können. Der Ausgangspunkt für diesen Unterschied ist das Verständnis der Tatsache, dass AM-Teile zwar einzigartige Eigenschaften haben, aber eben auch nur Teile sind, die wie die in traditionellen Fertigungsverfahren hergestellten Teile nachbearbeitet werden müssen, und zwar genau, schnell und kostengünstig. Durch eine sinnvolle Kombination verschiedener Maschinentechnologien und unterschiedlicher Medien kann die Massenfertigung diese Ziele erreichen.

Massenanfertigung und AM

In einem traditionellen Fertigungsszenario wäre die Aussicht, dass die Nachbearbeitungsschritte für mehr als 50 % der Teilekosten verantwortlich sind, unhaltbar und sicherlich nicht nachhaltig. Was wird also gegen dieses anormale und potenziell prohibitive Hindernis für die Durchführbarkeit von AM als Produktionstechnologie unternommen?

Nun, es ist tatsächlich eine Zangenbewegung am Werk. Auf der einen Seite verfeinern die Entwickler von AM-Technologieplattformen ständig die Verfahren zur Verringerung der Oberflächenrauheit von AM-gefertigten Teilen, und auf der anderen Seite wenden Unternehmen wie AM Solutions (eine Abteilung von Rösler, die auf eine acht Jahrzehnte lange Geschichte in der industriellen Endbearbeitung zurückblicken kann) ihre jahrzehntelange Erfahrung in der Herstellung von Lösungen für die Massenendbearbeitung an, um AM-Teile herzustellen. Der Schwerpunkt liegt auf dem Einsatz der optimalen Gleitschleifmaschinen-Technologie mit den optimalen Gleitschleif-Verbrauchsmaterialien für verschiedene AM-Anwendungen und der Bereitstellung von Gleitschleiflösungen, die auf jede AM-Anwendung zugeschnitten sind. AM Solutions ist in einer einzigartigen Position, um dies zu tun, da es einer der einzigen Anbieter von Mass Finishing-Lösungen ist, der wirklich vertikal integriert ist, seine Maschinen selbst herstellt und auch ein umfangreiches Portfolio an Verbrauchsmaterialien entwickelt, innoviert und erstellt. Die Erforschung und Optimierung der für AM-Teile verwendeten Medien ist der absolute Schlüssel zum Erfolg.

Diese Zangenbewegung wird die Kosten und den Zeitaufwand für die Nachbearbeitung von AM-Teilen verringern und so die Herstellung von AM-Teilen mit Oberflächeneigenschaften und -eigenschaften ermöglichen, die mit denen herkömmlicher Metall- und Kunststofffertigungsverfahren zu ähnlichen Kosten konkurrieren können. Mit anderen Worten, das Ziel besteht darin, die Herstellung von endkonturnahen Teilen mit hervorragenden Oberflächeneigenschaften zu ermöglichen, ohne die Integrität der Teile zu beeinträchtigen. Wenn dies erreicht ist, wird die Machbarkeit von AM als Produktionsalternative von einer wachsenden Zahl von Unternehmen anerkannt werden, und die Technologie wird in einer besseren Position sein, das traditionelle Produktionsparadigma zu durchbrechen. AM Solutions positioniert sich als ein Unternehmen, das im AM-Ökosystem arbeitet und dieses Ziel als primären Fokus hat.

Design und Bau für die Nachbearbeitung

Verschiedene Parameter können die Effizienz eines Nachbearbeitungsvorgangs für AM-gefertigte Teile beeinflussen, was dazu beiträgt, dass Nachbearbeitungsvorgänge bereits in der Entwurfsphase und auf jeden Fall vor dem Bau eines AM-Teils berücksichtigt werden sollten. So kann beispielsweise die Ausrichtung der aufgebrachten Schichten (d. h. die Abweichung von der Horizontalen) bei einigen Anwendungen ein entscheidender Parameter sein, ebenso wie die Wahl der Massenveredelungsmedien, die je nach dem verwendeten AM-Aufbauverfahren unterschiedlich reagieren. Außerdem erfordert die Geschwindigkeit des Materialabtrags bei einigen Massenbearbeitungsverfahren mit hohem Energiestrom, dass die Teile so konstruiert werden, dass der Materialverlust an kritischen Stellen des Teils verringert wird. DfAMPP (Design for AM Post-Processing) ist also eine echte Sache!

All dies zeigt, dass die Zusammenarbeit mit einem qualifizierten und erfahrenen Nachbearbeitungsexperten bereits in der frühen Entwurfsphase der Produktentwicklung von entscheidender Bedeutung ist, da mit herkömmlichen, oft ungeeigneten Technologien von der Stange nicht die gewünschten Ergebnisse erzielt werden können, wenn AM für die Produktion eingesetzt wird, und einige neuere Nachbearbeitungstechnologien entweder zu umständlich, schwierig zu handhaben oder zu ausgereift sind, um sie zu einer langfristig kosteneffizienten Lösung für industrielle Anwendungen zu machen.

Fragen an die Lieferanten

Wenn Sie Ihren bevorzugten Anbieter von AM-Nachbearbeitungstechnologie in die engere Wahl nehmen, müssen Sie eine Reihe von Fragen stellen.

Bei der Betrachtung von Gleitschleiftechnologien kommt es darauf an, zu beurteilen, ob es sich bei den Prozessen einfach um alte Verfahren handelt, die jetzt auf AM angewandt werden, oder ob die Prozesse auf intelligente Weise an die Unwägbarkeiten von AM-Teilen angepasst wurden. Wie bereits erwähnt, kann das Gleitschleifen das flexibelste, unkomplizierteste, transparenteste, wiederholbarste und kostengünstigste Oberflächenbehandlungsverfahren sein, allerdings nur, wenn die richtige Kombination aus Maschinentechnologie und Gleitschleifverbrauchsmaterialien für AM-Teile verwendet wird. Sie sollten sich fragen, ob Ihr in die engere Wahl gekommener Lieferant seine eigenen Maschinen im Haus herstellt, wirklich vertikal integriert ist und seine eigenen Medien erforscht, innoviert und produziert. Nur wenn ein Anbieter die Wirkung von Maschinentechnologie und Medien richtig einschätzen kann, lässt sich ein optimaler Prozess für die Massenfertigung erzielen.

Zweitens müssen Sie sich fragen, wie viel Erfahrung der von Ihnen gewählte Technologielieferant hat. Die Post-Processing-Umgebung ist voll von neuen Post-Processing-Technologien, die für AM entwickelt wurden, aber oft sind die Unternehmen, die hinter diesen Innovationen stehen, Start-ups und haben daher nicht die Erfahrung und oft auch nicht die finanzielle Solidität, um ein zuverlässiger Produktentwicklungspartner zu sein. Auch die Wahl eines Anbieters, der Optionen für eine Reihe von Materialien (Kunststoffe, Fotopolymere und Metalle) anbietet, ist von großer strategischer Bedeutung, wenn AM in der gesamten Lieferkette eingesetzt wird.

Die Massennachbearbeitung ist bei entsprechender Anpassung an AM-Teile nach wie vor die effizienteste und kostengünstigste Nachbearbeitungsmethode. Es gibt einen Grund dafür, dass die Massennachbearbeitung in den meisten Fällen die erste Wahl in der konventionellen Fertigung ist, da sie kostengünstig ist und die eigentliche Bearbeitungszeit des Teils verkürzt. Die Anpassung der Massennachbearbeitung an AM-Teile bietet dem AM-Sektor dieselben Vorteile, was für die Senkung des Preises pro Teil durch Rationalisierung der Nachbearbeitungskosten von entscheidender Bedeutung ist.

Daniel Tweer, Managing Director, Rösler UK / AM Solutions

Mehr über AM Solutions finden Sie hier.