Welche Maßgenauigkeit und Oberflächengüte erreicht der Metall-3D-Druck?

Aus fertigungstechnischer und ingenieurtechnischer Sicht sind Maßgenauigkeit und Oberflächengüte des Metall-3D-Drucks – insbesondere bei pulverbettbasierten Verfahren wie DMLS/SLM – entscheidende Leistungskennzahlen, die das Einsatzspektrum bestimmen. Es ist wichtig zu verstehen, dass der „As-Printed“-Zustand nur den Ausgangspunkt darstellt und das Erreichen der endgültigen technischen Toleranzen nahezu immer ergänzende Nachbearbeitung erfordert.

Maßgenauigkeit von As-Printed-Teilen

Die Maßgenauigkeit eines metallischen 3D-gedruckten Bauteils beschreibt, wie genau die gemessenen Abmessungen mit dem vorgesehenen CAD-Modell übereinstimmen. Für DMLS liegt eine typische Genauigkeit bei ± 0.1 mm bis ± 0.2 % (je nachdem, welcher Wert größer ist) an kritischen Merkmalen in der X-Y-Ebene. Die Genauigkeit in der Z-Achse (Baurichtung) kann etwas weniger konstant sein.

• Einflussfaktoren:

  • Prozessparameter: Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Belichtungsabstand (Hatch-Abstand).

  • Bauteilgeometrie: Dünnwandige Bereiche und Überhänge sind aufgrund von Eigenspannungen anfälliger für Verzug.

  • Material: Verschiedene Legierungen (z. B. Aluminium 6061 vs. Inconel 718) weisen unterschiedliche Wärmeausdehnung und Schmelzcharakteristik auf.

  • Nachbearbeitung: Spannungsarmglühen und thermische Behandlungen wie Wärmebehandlung und HIP können geringfügige Maßänderungen verursachen.

• Vergleich mit traditionellen Verfahren: Die As-Printed-Maßgenauigkeit liegt im Allgemeinen unter der von CNC-Bearbeitung, bei der Toleranzen von ± 0.025 mm oder enger zuverlässig gehalten werden können.

Präzisionstoleranzen mit hybrider Fertigung erreichen

Für Bauteile mit präzisen Schnittstellen, Lagersitzen oder Gewindeverbindungen reicht die Standard-As-Printed-Genauigkeit nicht aus. Hier ist ein hybrider Ansatz entscheidend.

• Sekundäre CNC-Bearbeitung: Kritische Funktionsflächen werden bewusst mit Aufmaß gedruckt und anschließend durch Präzisionsbearbeitung wie CNC-Fräsen oder CNC-Drehen auf enge Toleranzen gebracht. So wird die geometrische Freiheit von DMLS mit der Maßpräzision von CNC kombiniert.

• Realisierbare Toleranzen: Auf diese Weise lassen sich Toleranzen von ± 0.025 mm bis ± 0.05 mm (IT-Grade 7–9) an spezifizierten Merkmalen erzielen, wodurch die Teile für anspruchsvolle Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und bei medizinischen Geräten geeignet sind.

Oberflächengüte von As-Printed-Teilen

Die Oberflächengüte eines DMLS-gedruckten Bauteils im As-Printed-Zustand ist durch eine bestimmte Rauheit gekennzeichnet, die aus den gesinterten Pulverpartikeln resultiert. Ein typischer Bereich liegt bei Ra 10 - 25 μm (400 - 1000 μin), was einer relativ rauen und strukturierten Oberfläche entspricht.

• Ursachen der Rauheit:

  • Teilverschmolzene Partikel: Feine Pulverpartikel haften am Rand des Schmelzbades.

  • „Treppeneffekt“: Die schichtweise Fertigung führt auf gekrümmten oder geneigten Flächen zu einer stufigen Textur.

  • Artefakte von Stützstrukturen: Kontaktpunkte von Supports hinterlassen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche.

• Funktionale Auswirkungen: Diese raue As-Printed-Oberfläche ist im Allgemeinen für Lagerflächen, Dichtflächen oder ermüdungskritische Bereiche ungeeignet, da sie als Kerbwirkung bzw. Spannungskonzentrator wirken kann.

Verbesserung der Oberflächengüte durch Nachbearbeitung

Eine Reihe von Nachbearbeitungstechniken wird eingesetzt, um die Oberflächengüte zu verbessern – jede mit unterschiedlichen Möglichkeiten und Ergebnissen.

• Strahlen (Abrasive Blasting): Sandstrahlen ist ein gängiger erster Schritt, der die Oberfläche reinigt und Spitzenrauheiten reduziert und typischerweise Ra 4 - 8 μm erreicht. Es erzeugt ein gleichmäßiges, mattes Finish.

• Vibrationsfinish: Trowalisieren (Tumbling) eignet sich hervorragend zum Verrunden von Kanten, Entgraten und Erzeugen eines glatteren, halbmatten Finishs und kann die Rauheit typischerweise auf etwa Ra 1 - 4 μm verbessern.

• Abrasive Flow Machining (AFM): Besonders effektiv für das Polieren interner Kanäle und komplexer Geometrien, die für andere Verfahren schwer zugänglich sind.

• Elektropolieren: Dieses elektrochemische Verfahren ist sehr effektiv, um ein glattes, mikropoliertes Finish zu erzielen. Elektropolieren kann die Oberflächengüte auf Ra 0.2 - 0.8 μm verbessern und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit steigern.

• CNC-Bearbeitung/Schleifen: Für die bestmögliche Oberflächengüte an kritischen planen oder zylindrischen Flächen werden klassische Verfahren wie CNC-Schleifen oder Bearbeitung eingesetzt. Damit sind Oberflächen mit Ra 0.4 μm oder besser erreichbar – vergleichbar mit einer hochwertigen As-Machined-Oberfläche.

Zusammenfassung der erreichbaren Spezifikationen

Konstruktive Richtlinien für die Auslegung

1. Für den Prozess konstruieren: Berücksichtigen Sie die Grenzen des As-Printed-Zustands bereits im Design und vermeiden Sie kritische Toleranzen auf schwer zugänglichen Innenflächen.

2. Kritische Merkmale klar definieren: Legen Sie eindeutig fest, welche Flächen enge Toleranzen und feine Oberflächen benötigen, damit dort gezielt Aufmaß für die sekundäre Bearbeitung vorgesehen werden kann.

3. Den gesamten Prozessablauf betrachten: Der optimale Weg für ein hochpräzises Bauteil besteht häufig darin, die komplexe Near-Net-Shape-Geometrie per 3D-Druck herzustellen und anschließend über CNC-Bearbeitung die Endpräzision zu erzielen.