Bauteile mithilfe von HDCO2-Strahlen nachbearbeiten

Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF LB/M) stellt ein industrielles Fertigungsverfahren dar, dessen Bedeutung stetig zunimmt. Dies ist insbesondere auf die Kombination aus geometrischer Gestaltungsfreiheit und guten mechanischen Eigenschaften der Bauteile zurückzuführen. Des Weiteren erlaubt das Verfahren die gezielte Erzeugung und Einstellung einer durchgängigen Porosität in den Bauteilen, wodurch eine Funktionalisierung der generierten Bauteile für bestimmte Anwendungsfälle, wie beispielsweise für Wärmetauscher, erzielt werden kann. Der Qualifizierungsprozess neuer Werkstoffe für den PBF LB/M-Prozess ist in der Regel mit dem Ziel verbunden, Bauteile mit hoher Dichte zu erzeugen, da die mechanischen Festigkeitskennwerte mit steigender Porosität sinken [1]. Demgegenüber eröffnet der PBF LB/M-Prozess die Möglichkeit, gezielt Körper mit einer definierten Porosität zu erzeugen, wodurch sich funktionelle Eigenschaften, wie eine Durchströmbarkeit und Permeabilität, integrieren lassen. Die Art der erzeugten Porosität kann dabei zunächst in die Kategorien durchgängige, blinde und geschlossene Porositäten eingeteilt werden, (Bild 2) [2].
Poröse metallische Werkstoffe finden heutzutage in zahlreichen Bereichen Anwendung. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen begünstigt den Wärmeübergang zwischen Werkstoff und Medium, weshalb poröse Einsätze in Wärmetauschern zur Verbesserung der Wärmeleistung beitragen [3]. Die signifikante innere Oberfläche von offenporigen Strukturen ermöglicht in Kombination mit der effektiven Durchströmbarkeit den Einsatz als Trägergerüst für Katalysatoren. Des Weiteren finden offenporige Strukturen Anwendung in der Medizintechnik, beispielsweise bei Implantaten, um die Biofunktionalität zu optimieren und die Fähigkeit des Einwachsens von Knochen und Gewebe zu fördern [4]. Im PBF-LB/M-Prozess umgibt das nicht aufgeschmolzene Pulver das erzeugte Bauteil und muss nach dem Fertigungsprozess oft manuell und kostenintensiv entfernt werden. Die geringe Partikelgrösse birgt ein erhebliches Gesundheitsrisiko für den Anwender und führt zu einer Belastung der Umwelt. In der wissenschaftlichen Literatur werden verschiedene Ansätze zur Entfernung von Pulveranhaftungen diskutiert. Eine Verbesserung der Oberflächenqualität der erzeugten Bauteile durch die Entfernung von Pulveranhaftungen kann mittels Strahlen mit festem Strahlmittel und Anwendung von unterschiedlichem Strahlgut erzielt werden [5]. Für eine Reinigung der im Herstellungsprozess eingebrachten Porositäten müssen die Poren eine hinreichende Grösse aufweisen, um ein Eindringen des Strahlguts zu ermöglichen. Im Anschluss an den Strahlprozess ist eine Entfernung des im Bauteil verbleibenden Strahlguts erforderlich, da Rückstände des Strahlmittels die Bauteileigenschaften beeinflussen können.

HDCO2-Strahlen
Das Strahlen mit flüssigen Medien bietet eine Alternative zum Strahlen mit festem Strahlmittel. So hat sich die Wasserstrahltechnologie in den letzten Jahren zu einem multifunktionalen Werkzeug für die Bearbeitung vieler Werkstoffe sowie Werkstoffverbindungen entwickelt und erschliesst dadurch eine Vielzahl an Anwendungsfeldern. Die Vorteile der Strahltechnologie liegen beispielsweise in der rückkopplungsfreien Bearbeitung, wodurch die Standzeit der Düsen unabhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff ist. Ausserdem werden während des Bearbeitungsprozesses lediglich geringe thermische und mechanische Belastungen an den Werkstücken induziert [6]. Als Nachteile des Wasserstrahlschneidens sind die aufwendige Aufbereitung des genutzten Wassers, die Trocknung und Reinigung der bearbeiteten Werkstücke sowie die nicht vorhandene Sterilität zu nennen. Diese Nachteile können durch den Einsatz von flüssigem CO2 kompensiert werden [7]. Die vollständige Sublimation des Strahlmittels CO2 resultiert in einem trockenen und rückstandsfreien Prozess. Anfallende Späne beziehungsweise Pulverreste können mit geringem Aufwand recycelt werden. Das verwendete CO2 wird als Abfallprodukt bei chemischen Prozessen abgeführt, sodass keine separate Erzeugung erforderlich ist. Infolgedessen gilt es als umweltneutral [8]. Dunsky und Hashish [9] demonstrierten erstmals die allgemeine Durchführbarkeit des Verfahrens und wiesen nach, dass die Erzeugung eines flüssigen CO2-Hochdruckstrahls zum rückstandsfreien Trennen von Materialien möglich ist. Engelmeier [10] fokussierte sich in ihrer Arbeit, deren Grundlage ein gemeinsames Projekt mit dem Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin war, auf die strömungsmechanischen und thermodynamischen Vorgänge bei der Expansion des Kohlenstoffdioxids. Der Fokus der Untersuchung von Engelmeier lag auf der Analyse des Einflusses des Umgebungsdrucks auf der Austrittsseite der Düse. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine Druckkammer eingesetzt, um die relevanten Parameter zu ermitteln. Der zweite Ansatz bestand in einer Kühlung des CO2 vor dem Düsenaustritt, wodurch der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig verzögert und die Kohärenzlänge erhöht werden sollte. Die Anwendung beider Ansätze resultierte in einer signifikanten Verbesserung der Strahleigenschaften für das Strahlspanen. Die erzeugten CO2-Strahlen wiesen eine vergleichbare Beschaffenheit wie Hochdruckwasserstrahlen auf. Es konnte jedoch ein divergentes optisches Erscheinungsbild der Strahloberfläche beobachtet werden. Im Gegensatz zu den glatten und laminaren Wasserstrahlen wiesen die CO2-Strahlen eine wellige, schuppenförmige Oberflächenstruktur auf, was auf eine thermodynamische Instabilität hindeutet. Engelmeier bescheinigte dem Verfahren Potenzial zum Trennen empfindlicher Materialien, beispielsweise in der Feinwerktechnik [10]. Die Bearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen mittels flüssigem CO2 wurde bisher noch nicht untersucht.

Wirkung des HDCO2-Strahls auf additiv gefertigte Bauteile
Im Rahmen von technologischen Untersuchungen wurde der Einfluss der HDCO2 Prozessparameter auf die Oberfläche additiv gefertigter Bauteile aus der Aluminiumlegierung AlSi10Mg analysiert (Bild 1). Zu diesem Zweck wurde eine zweigeteilte Vorgehensweise definiert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Wirkung einer Einzelkerbe sowie deren Kerbtiefe KT analysiert, wobei der Strahlabstand aW und die Vorschubgeschwindigkeit vf variiert wurden. Der Düsendurchmesser dD = 0,15 mm sowie der Strahldruck pS = 300 MPa wurden als konstante Parameter definiert. Der Düsendurchmesser von dD = 0,15 mm sowie der Strahldruck von pS = 300 MPa wurden gewählt, um eine hohe Energiedichte ES im Strahl zu erzielen und die maximale Wirkung des HDCO2-Strahls zu eruieren. Die Resultate der Einzelkerbuntersuchungen sind in Bild 3 dargestellt. Die grösste mittlere Kerbtiefe KT ≈200 µm wurde mit der kleinsten Vorschubgeschwindigkeit vf = 60 mm/min und dem niedrigsten Strahlabstand aW = 10 mm erreicht. Es konnte festgestellt werden, dass die Kerbtiefe KT in einem regressiven Verhältnis zur zunehmenden Vorschubgeschwindigkeit vf steht. Eine Vergrösserung des Strahlabstands aW führt zu einer Parallelverschiebung der Diagrammverläufe und resultiert in geringeren Kerbtiefen KT. Wie in Bild 4 dargestellt, wurden für die Strahlversuche Prismenkörper additiv gefertigt, deren senkrechte Fläche bestrahlt wurde. Die Bearbeitung der senkrechten Fläche wurde gewählt, da sich auf senkrechten Flächen prozessbedingt eine höhere Anzahl an Partikelanhaftungen durch Agglomerationseffekte ausbildet.
Parallel zu den Einzelkerbversuchen wurden zeitgleich Strahlversuche mit einer flächigen Bearbeitung durch Strahlen mit einem Mäandermuster und einem Bahnabstand von hb = 0,5 mm durchgeführt. Der Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit vf sowie des Strahlabstands aW auf den arithmetischen Mittelwert der Höhe Ra ist in Bild 4 veranschaulicht. Der Strahlabstand aW hat einen grossen Einfluss auf den arithmetischen Mittelwert der Höhe Ra. Eine Verringerung des Strahlabstands aW führt zu einer deutlichen Vergrösserung des arithmetischen Mittelwerts der Höhe Ra. Lediglich bei einem Strahlabstand aW = 30 mm mit Vorschubgeschwindigkeiten vf ≥ 270 mm/min kann der arithmetische Mittelwert der Höhe Ra unterhalb der Ausgangsrauheit Raroh = 8,2 µm verringert werden. Die Ergebnisse veranschaulichen, dass insbesondere der Strahlabstand aW = 30 mm geeignet ist, um einen niedrigen arithmetischen Mittelwert der Höhe Ra zu erreichen.
Die Ergebnisse in Bild 3 und Bild 4 ilustrieren, dass mit dem HDCO2-Strahlen Material aus additiv gefertigten AlSi10Mg-Proben herausgetrennt werden konnte. Allerdings konnten lediglich maximale Kerbtiefen von KT ≈ 200 µm erreicht werden. Damit eignet sich das Verfahren nicht zum Trennen von metallischen Materialien. Allerdings bietet das Verfahren grosses Potenzial in der Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile zur Entfernung von Pulveranhaftungen. In Bild 5 ist die Strahlwirkung der Einzelkerbversuche und der flächigen Bearbeitung exemplarisch dargestellt.Aufgrund der rückstandfreien Eigenschaft des HDCO2-Strahlens wird die Eignung des Verfahrens in weiterführenden Untersuchungen zur Reinigung von additiv gefertigten Gitterstrukturen untersucht. Damit werden die Möglichkeiten und Grenzen des Verfahrens zur Entfernung von Pulverresten auf Innenstrukturen von additiv gefertigten Körpern analysiert. Potenzielle Einsatzgebiete sind Implantate in der Medizintechnik oder Wärmetauscher und Heatpipes mit komplexen Geometrien sowie weitere funktionale additiv gefertigte Innenstrukturen.

ZU DEN AUTOREN
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Leiter Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin, Leiter Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK im Produktionstechnischen Zentrum (PTZ) Berlin der TU Berlin
Waldemar Reder, M.Sc. Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) im Produktionstechnischen Zentrum (PTZ) Berlin der TU Berlin
reder@iwf.tu-berlin.de
www.iwf.tu-berlin.de