3D-Druck Metallbauteile aus dem 3D-Drucker präzise mit Strom nacharbeiten

Metallbauteile aus dem 3D-Drucker berührungslos in hochpräzise technische Spezialanfertigungen verwandeln – ein an der Universität des Saarlandes entwickeltes Verfahren macht dies möglich. Dabei wird 3D-Druck und elektrochemisches Abtragen kombiniert.

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Universität des Saarlandes Fakultät 8/Naturwissenschaftl. Technische Fakultät III

Fahrzeugmotoren oder Triebwerke von Flugzeugen und Raketen bestehen aus einer Vielzahl spezieller Bauteile aus Metall. Damit alles hundertprozentig zusammen- und ineinanderpasst und auch härtesten Belastungen standhalten kann, muss jedes Einzelteil perfekt geformt sein. „Die Toleranzen können dabei im Mikrometerbereich liegen“, erklärt Professor Dirk Bähre von der Universität des Saarlandes.

Mit 3D-Druckverfahren für Metalle ist es heute zwar möglich, komplizierte Bauteile herzustellen. Aber: Was bei dieser additiven Fertigung Schicht für Schicht aus dem Drucker kommt, ist oft nicht ausreichend genau für höchste Ansprüche. Und bei manchen Geometrien stößt dieses Verfahren auch schlicht an Grenzen.

Metall-3D-Druck kombiniert mit elektrochemischem Abtragen

Dirk Bähre und sein Team forschen daran, die Werkstücke aus dem 3D-Drucker so zu veredeln, dass sie auf den Tausendstel Millimeter genau passen. „Mit unseren Technologien zur Nachbearbeitung additiv gefertigter Metallteile können wir Präzisionsfunktionsflächen für hochgenaue Anwendungen kostengünstig herstellen. Auch hohe Stückzahlen lassen sich dadurch wirtschaftlich produzieren“, erklärt er. Die Feinbearbeitung ist Spezialität des Saarbrücker Fertigungstechnikers und seiner Forschungsgruppe. Sie haben neuartige Verfahren entwickelt, indem sie metallischen 3D-Druck mit elektrochemischem Abtragen kombinieren.

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Gleichmäßiger Abtrag durch Stromimpulse und Schwingungen

Durch das elektrochemische Abtragen können selbst komplizierteste Geometrien in härtestem Metall umgesetzt werden. „Es handelt sich um eine schädigungsfreie, berührungslose Fertigungstechnologie, mit der wir komplexe Bauteile und hochfeste Werkstoffe effizient bearbeiten können“, erklärt Bähre.

Die Werkstoffe werden dabei von einer Elektrolytlösung umspült und nehmen bis auf den Tausendstel Millimeter exakt die gewünschte Geometrie an: völlig ohne Kraftaufwand oder mechanische Einwirkungen auf den Werkstoff.

Die Ingenieure brauchen dafür nur elektrischen Strom: Dieser fließt zwischen einer Vorlage, der Kathode, und der Anode, in diesem Fall dem zu bearbeitenden Werkstoff aus dem 3D-Drucker. Umspült von der stromleitenden Flüssigkeit aus Wasser und Salz werden dabei winzige Metallteilchen abgetragen: Die Metallionen lösen sich aus dem Werkstück und das hochpräzise gewünschte Bauteil entsteht. „Durch Stromimpulse und Schwingungen des Werkzeugs erreichen wir einen besonders gleichmäßigen Abtrag mit sehr glatten Oberflächen und hohen Genauigkeiten“, erläutert Bähre.

Was passiert mit dem Metall beim 3D-Druck?

Um die Nachbearbeitung zu optimieren, nehmen die Forscherinnen und Forscher die Metalle, die zum Einsatz kommen wie Aluminium, Titan oder Stahllegierungen, und auch jeden einzelnen Prozessschritt genauestens unter die Lupe. „Wir müssen zum Beispiel genau verstehen, was beim vorangehenden 3D-Druck mit dem Metall passiert. Daher ergründen wir, welche Gefügestruktur dabei entsteht“, erläutert Bähre. Mit dem Wissen über das Verfahren und Materialverhalten können sie darauf aufbauend die elektrochemischen Methoden weiterentwickeln, um glatte Oberflächen oder komplexe Geometrien in hoher Präzision zu erhalten.

Reihenfolge der Prozessschritte entscheidend

In einer Vielzahl von Experimenten stellen die Forscherinnen und Forscher hierfür Teile im 3D-Drucker her und ergründen, wie die jeweils passende elektrochemische Bearbeitung erfolgen muss. „Wir betrachten genau das Zusammenspiel der verschiedenen Parameter und ermitteln, wie der Fertigungsprozess idealerweise zusammengestellt ist“, erklärt der Ingenieur. Da kann es etwa entscheidend sein, in welcher Reihenfolge die Prozessschritte erfolgen. Systematisch unterteilen sie alle Einflüsse, machen hochgenaue Messungen und Detailanalysen.

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