Nachbearbeitungsverfahren beim metallischen SLM-Druck: eine vollständige Methode von der Spannungsarmung bis zur Oberflächenfeinbearbeitung

Einleitung: Die Bedeutung der Nachbehandlung

Metallische SLM-Bauteile weisen aufgrund der schnellen Erstarrung Probleme wie hohe Restspannungen, raue Oberflächen und eine inhomogene Gefügestruktur auf. Nachbehandlungsverfahren sind der entscheidende Schritt, um diese Mängel zu beseitigen und die geforderten Endeigenschaften zu erreichen. Statistiken zufolge entfallen 30-50% der Gesamtkosten metallischer SLM-Bauteile auf die Nachbehandlung, und die Qualität der Nachbehandlung beeinflusst direkt die Leistung und Lebensdauer des Produkts.

1. Restspannungen und Verformung

1.1 Herkunft der Restspannungen

• Temperaturgradient: Die schnelle Abkühlung des Schmelzbads erzeugt Temperaturgradienten und führt zu thermischen Spannungen
• Phasenumwandlungsspannungen: Während der Erstarrung entstehen durch Phasenumwandlungen Spannungen
• Zwangsspannungen: Spannungen, die durch die Einspannung auf der Bauplatte und durch geometrische Einschränkungen des Bauteils entstehen

1.2 Merkmale der Spannungsverteilung

Druckspannungen an der Oberfläche sind vorteilhaft für die Ermüdungsfestigkeit, während Zugspannungen im Inneren zu Rissbildung führen können. An scharfen Kanten und in dünnwandigen Strukturen treten starke Spannungskonzentrationen auf.

2. Spannungsarmglühen

2.1 Spannungsarmglühen

316L Edelstahl: 450-550℃ × 2-4 h, Ofenabkühlung. Titanlegierung Ti6Al4V: 600-650℃ × 2-4 h, Ofenabkühlung. Aluminiumlegierung AlSi10Mg: 250-300℃ × 2-3 h, Ofenabkühlung. Werkzeugstahl H13: 550-650℃ × 3-5 h, Ofenabkühlung. Inconel 718: 720-750℃ × 4-6 h, Ofenabkühlung.

2.2 Anforderungen an die Ausrüstung

Vakuumofen mit einem Vakuumgrad von <10⁻² Pa, geeignet für Titanlegierungen und Hochtemperaturlegierungen. Argonschutzofen mit Sauerstoffgehalt <10 ppm. Stickstoffschutzofen geeignet für Edelstahl und Werkzeugstahl. Temperaturgleichmäßigkeit ±5℃.

3. Entfernen der Stützstrukturen

3.1 Mechanisches Entfernen

Manuelles Entfernen eignet sich für einfache Strukturen, spanende Bearbeitung bietet hohe Effizienz und gute Genauigkeit, Drahterodieren eignet sich für komplexe Strukturen mit hoher Präzision, Schleifen eignet sich für harte Werkstoffe.

3.2 Elektrochemisches Entfernen

Das Prinzip ist die elektrochemische Auflösung und eignet sich für Stützstrukturen in Hohlräumen. Der Elektrolyt ist eine Salzlösung oder Säurelösung, die Stromdichte beträgt 10-50 A/cm². Vorteile sind gute Zugänglichkeit; Nachteile sind die geringe Geschwindigkeit und die erforderliche Nachreinigung.

4. Wärmebehandlungsverstärkung

4.1 Lösungs- und Alterungsbehandlung

Titanlegierung Ti6Al4V: Lösungsglühen bei 900-950℃, Altern bei 540-600℃. Inconel 718: Lösungsglühen bei 950-980℃, Altern bei 720+620℃. Werkzeugstahl H13: Lösungsglühen bei 1020-1050℃, Altern bei 550-600℃, Härte bis zu 50 HRC.

4.2 Heißisostatisches Pressen (HIP)

Die Temperatur wird je nach Werkstoff festgelegt, der Druck beträgt 100-200 MPa, die Zeit 2-4 Stunden. Wirkung: Dichte >99,9%, Ermüdungsfestigkeit um 30-50% verbessert.

5. Oberflächenbehandlung

5.1 Oberflächenrauheit

Ra an der Seitenfläche im gedruckten Zustand 5-15 μm, Ra an der Ober- und Unterseite im gedruckten Zustand 15-40 μm, nach Sandstrahlen Ra 3-6 μm, nach Polieren Ra 0,2-1,0 μm, nach spanender Bearbeitung Ra 0,8-3,2 μm.

5.2 Kugelstrahlen

Zweck ist es, Druckspannungen an der Oberfläche einzubringen und dadurch die Ermüdungsfestigkeit zu erhöhen. Als Medium werden Stahlkugeln oder Glasperlen verwendet, die Intensität liegt üblicherweise bei 0,2-0,6 mmA, die Deckungsrate beträgt >100%, die Wirkung ist eine Verbesserung der Ermüdungslebensdauer um 30-100%.

6. Praxisbeispiele

Triebwerksblatt für Flugzeuge (Inconel 718): Trennen per Drahterodieren → Spannungsarmglühen 750℃ × 4 h → HIP 1180℃/150 MPa/4 h → Lösungs- und Alterungsbehandlung → spanende Bearbeitung → elektrochemisches Polieren → Fluoreszenzprüfung. Medizinische Implantate (Titanlegierung Ti6Al4V): mechanisches Entfernen der Stützstrukturen → Sandstrahlen → Beizen und Passivieren → Spannungsarmglühen → HIP → Endpolieren → Reinigen und Verpacken. Formbauteile (Werkzeugstahl H13): spanende Entfernung der Stützstrukturen → Spannungsarmglühen → Härten + Anlassen → spanende Bearbeitung der Funktionsflächen → Polieren → Nitrieren.

Fazit

Die Nachbehandlung metallischer SLM-Bauteile ist der entscheidende Schritt zur Gewährleistung der Endleistung. Durch geeignete Spannungsreduzierung, Wärmebehandlungsverstärkung und Oberflächenbehandlung lassen sich die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer der Bauteile erheblich verbessern.