I. Additiv gefertigte Bauteile dürfen nicht im As-Built-Zustand verbleiben
Die Oberfläche eines metallischen additiv gefertigten Bauteils nach der Entnahme aus der Anlage entsteht durch die Überlappung einzelner Schmelzspuren, anhaftende teilaufgeschmolzene Partikel und den Treppeneffekt. Beim Laser Powder Bed Fusion (LPBF) liegt die Rauheit Ra von Seitenflächen beispielsweise häufig zwischen 8 und 20 μm; nach unten gerichtete Flächen mit starkem Pulveranhaftung können über 25 μm erreichen. Wird dasselbe Bauteil spanend bearbeitet, lässt sich Ra dagegen zuverlässig unter 1,6 μm halten. Dieser Unterschied betrifft nicht nur die Optik: Mit jeder höheren Rauheitsstufe konzentriert sich die Ermüdungsrissinitiierung stärker in den Tälern zwischen den Schichtüberlappungen und an den Wurzeln anhaftender Partikel.
Bei einem Prüfstandversuch mit einem Ti6Al4V-Einsatz mit konturnaher Kühlung lag die Dauerfestigkeit von Proben im As-Built-Zustand bei rotierender Biegung bei rund 45 % bis 55 % eines geschmiedeten Grundwerkstoffs. Nach Sandstrahlen und Elektropolieren stieg sie auf etwa 70 %. Durch zusätzliches Kugelstrahlen zur Einbringung einer Druckeigenspannungsschicht konnten mehr als 85 % erreicht werden. Die Nachbearbeitung ist somit kein kosmetischer Endschritt, sondern ein entscheidender Prozess dafür, ob ein Bauteil in tragenden Anwendungen eingesetzt werden kann.
II. Vier Kennwerte zur Bewertung der Oberflächenintegrität
Vor der Betrachtung mechanischer Verfestigungs- und Glättungsverfahren müssen einheitliche Bewertungsmaßstäbe festgelegt werden. In der Praxis beschreiben vier Kennwerte die Oberflächenintegrität: erstens die Profilrauheit Ra und Rz als Maß für die Amplitude mikroskopischer Unebenheiten; zweitens die oberflächennahen Eigenspannungen, wobei Druckeigenspannungen die Rissöffnung hemmen und Zugeigenspannungen gegenteilig wirken; drittens die Mikrohärte der Randschicht und die Tiefe der Kaltverfestigungsschicht als Maß für die plastische Verformung; und viertens der Kantenzustand, einschließlich Grathöhe, Verrundungsradius und Gleichmäßigkeit.
Diese vier Größen beeinflussen sich gegenseitig. Ein ausschließlich auf niedrige Ra-Werte ausgerichtetes chemisches Polieren mit hohem Materialabtrag kann beispielsweise die durch Kugelstrahlen erzeugte Druckeigenspannungsschicht entfernen. Wird nur kugelgestrahlt, ohne die Oberfläche zu glätten, sind zwar Druckeigenspannungen vorhanden, die Rauheitstäler bleiben jedoch Risskeime. Die Prozesskette muss daher nach der Priorität der Kennwerte aufgebaut werden: Zunächst ist die Hauptursache des Versagens zu bestimmen, danach die Reihenfolge von Verfestigung und Glättung festzulegen.
III. Kugelstrahlen und Strahlbehandlung: Einbringen einer Druckeigenspannungsschicht
Kugelstrahlen ist das etablierteste mechanische Verfestigungsverfahren. Durch Druckluft beschleunigte Stahlguss- oder Keramikkugeln treffen mit 40 bis 80 m/s auf die Oberfläche. Die Randschicht wird plastisch verformt und seitlich gedehnt; durch die elastische Einschränkung des darunterliegenden Werkstoffs entstehen Druckeigenspannungen. Typische Parameter sind Kugeldurchmesser von 0,2 bis 0,6 mm, ein Bedeckungsgrad von 100 % bis 200 % sowie eine Almen-Intensität von 0,15 bis 0,35 mmA, wobei für Titanlegierungen der obere und für Aluminiumlegierungen der untere Bereich gewählt wird. Das Maximum der Druckeigenspannung liegt üblicherweise 50 bis 150 μm unter der Oberfläche und kann 50 % bis 60 % der Streckgrenze des Werkstoffs erreichen.
Bei additiv gefertigten Bauteilen sind zwei Punkte besonders zu beachten. Erstens können teilaufgeschmolzene Partikel der As-Built-Oberfläche beim Kugelstrahlen abplatzen und kleine Vertiefungen hinterlassen. Vor dem Kugelstrahlen empfiehlt sich daher ein leichtes Sandstrahlen oder Gleitschleifen, um lose Anhaftungen zu entfernen. Zweitens erzeugt ein unzureichender Bedeckungsgrad unbehandelte Bereiche, die lokale Spannungssprünge verursachen können. Der Bedeckungsgrad sollte deshalb mit Almen-Streifen und Prüfflüssigkeit für die Bedeckung doppelt abgesichert werden, statt ihn allein anhand der Behandlungszeit zu schätzen.
IV. Rollieren und Laser Shock Peening: Tiefere Verfestigungsschichten
Bei geometrisch regelmäßigen Bauteilen wie Rotationskörpern, ebenen Flächen oder regelmäßigen Bohrungswänden bietet das Rollieren eine höhere Gleichmäßigkeit als Kugelstrahlen. Ein hydraulischer oder mechanischer Rollierkopf bearbeitet die Oberfläche mit einer Eindringtiefe von 0,1 bis 0,3 mm und einem Vorschub von 0,05 bis 0,15 mm/U. Dabei können Ra-Werte unter 0,4 μm erreicht und gleichzeitig Druckeigenspannungsschichten von 200 bis 500 μm Tiefe erzeugt werden. Das Verfahren kombiniert somit Verfestigung und Glättung.
Laser Shock Peening (LSP) eignet sich hingegen für dünnwandige und komplex geformte Bauteile. Kurzpulsige Laser erzeugen unter einer Absorptions- und einer Konfinierungsschicht Stoßwellen im GPa-Bereich. Die Druckeigenspannungsschicht kann mehr als 1 mm tief reichen, während der Wärmeeintrag gering bleibt. Dem stehen hohe Anlagenkosten und lange Bearbeitungszeiten gegenüber: Bei einem Einzelspot von 3 bis 5 mm sind für die Abdeckung einer Fläche von 100 cm² mehrere Tausend Pulse erforderlich. Das Verfahren eignet sich daher eher für hochwertige Bauteile wie Blattwurzeln von Turbinenschaufeln oder dünnwandige tragende Rahmen als für Kleinserien kleiner Teile.
V. Gleitschleifen und magnetisches Schleifen: Glättung von Innenkanälen
Konturnahe Kühlkanäle, Gitterstrukturen und innere Kreuzbohrungen sind für starre Schleifwerkzeuge unzugänglich und weisen bei additiv gefertigten Bauteilen häufig die schlechtesten Oberflächen auf. Beim Gleitschleifen wird das Bauteil in Schleifkörper eingebettet, etwa aus Keramik, Kunststoff oder Stahl. Die Behältervibration erzeugt eine Relativbewegung, welche alle freiliegenden Oberflächen gleichmäßig fein abträgt. Bei einer Bearbeitungszeit von 2 bis 8 Stunden kann Ra von 15 μm auf 3 bis 5 μm reduziert werden. Korngröße und Form der Schleifkörper müssen anhand des kleinsten Kanalquerschnitts ausgewählt werden; üblicherweise beträgt ihre Größe ein Fünftel bis ein Achtel des Kanaldurchmessers, um Verklemmungen zu vermeiden.
Magnetisches Schleifen eignet sich besser für präzise Innenräume. Magnetische Schleifmittel bilden unter einem rotierenden Magnetfeld eine flexible Schleifbürste entlang komplexer Konturen. In Innenkanälen aus Edelstahl oder Titanlegierungen lassen sich spiegelähnliche Oberflächen mit Ra unter 0,8 μm erzielen, ohne Werkzeugspuren zu hinterlassen oder den Querschnitt wie bei starren Werkzeugen zu verändern. Die Einschränkung besteht darin, dass die Wirkung magnetischer Schleifmittel auf nicht ferromagnetischen Werkstoffen stark von der Magnetfeldgestaltung abhängt. Bei Aluminium- und Kupferlegierungen ist die Glättungsleistung deutlich niedriger als bei Stahl.
VI. Entgraten und Kantenbearbeitung
Die letzte Hürde für eine konsistente Montage liegt häufig an den Kanten. Bei additiv gefertigten Bauteilen treten Grate typischerweise in drei Formen auf: als Reste nach dem Entfernen von Stützstrukturen, als wulstartige Erhebungen aus gesinterten Pulveranhaftungen sowie als Schichtstufen an Gewinden oder Bohrungseinläufen. Manuelles Feilen bietet die geringste Reproduzierbarkeit. Die Fasenmaße verschiedener Bearbeiter können innerhalb derselben Charge um mehr als 0,3 mm abweichen, was unmittelbar zu Streuungen beim Montagedrehmoment führt.
Ein kontrollierbarer Ansatz besteht darin, Kantenanforderungen festzulegen: In der Zeichnung werden die zulässige Grathöhe, beispielsweise maximal 0,1 mm, sowie der Bereich des Verrundungsradius, beispielsweise R0,2 bis R0,5, angegeben. Die Bearbeitung erfolgt anschließend mit standardisierten Schleifmittelströmungsverfahren, Nylonbürsten oder kleinen Trommelbearbeitungsanlagen; die Abnahme erfolgt stichprobenartig mit denselben Messmitteln. Werden Kanten von einer Erfahrungsbewertung zu einem messbaren Merkmal, lässt sich die Nacharbeitsquote häufig um mehr als die Hälfte senken.
VII. Auswahl und Validierung der Prozesskette
Die Prozesskette kann ausgehend vom Versagensmodus abgeleitet werden. Tragende Bauteile mit ermüdungsdominantem Versagen folgen der Reihenfolge Glätten vor Verfestigen: Sandstrahlen zum Entfernen anhaftender Partikel → Gleitschleifen oder elektrochemisches Glätten → Kugelstrahlen oder Rollieren zum Einbringen von Druckeigenspannungen → Reinigen und Passivieren. Bei Dichtungs- oder strömungsbestimmten Bauteilen hat die Glättung Vorrang; Verfestigungsschritte werden reduziert, damit die Druckeigenspannungsschicht nicht bei der nachfolgenden Montage abgerieben wird. Bei Sichtteilen steht dagegen eine gleichmäßige Textur im Vordergrund, weshalb Chargen der Schleifmittel und Bearbeitungszeiten kontrolliert werden müssen.
Auch die Validierung erfordert einen geschlossenen Regelkreis. Pro Charge sollte ein Satz begleitender Proben zurückbehalten werden, an dem Stichproben zur Oberflächenrauheit, zu Eigenspannungen mittels Röntgendiffraktion sowie Vergleichstests zur Ermüdung oder Druckfestigkeit am Erstteil durchgeführt werden. Die Daten müssen in die Prozessdokumentation zurückgeführt werden. Ohne diese Messungen bleibt die vermeintliche Festlegung eines Nachbearbeitungsprozesses lediglich eine Erfahrungsbeschreibung, die beim Wechsel der Anlage oder Schicht bereits unwirksam werden kann.
Fazit
Mechanische Oberflächenverfestigung und Glättung adressieren ein in der additiven Fertigung häufig unterschätztes Problem: Rauheitstäler, anhaftende Partikel und Zugeigenspannungen der As-Built-Oberfläche. In der Praxis sollten die vier Kennwerte der Oberflächenintegrität priorisiert, die Hauptursache des Versagens bestimmt und anschließend Kugelstrahlen, Rollieren, Laser Shock Peening, Gleitschleifen und magnetisches Schleifen gezielt kombiniert werden. Kantenanforderungen und Stichprobendaten gehören dabei in die Prozessdokumentation. Für Plattformen zum durchgängigen Management von der digitalen Konstruktion bis zum physischen Bauteil, wie lantu3D, sind Nachbearbeitungsparameter und Validierungsaufzeichnungen ebenfalls wiederverwendbare Assets: Sie entscheiden darüber, ob aus einem gedruckten Rohteil tatsächlich ein lieferfähiges und rückverfolgbares technisches Bauteil wird.
Reichen Sie ein Modell, eine Zeichnung, ein Bild oder schriftliche Notizen ein. Ingenieure prüfen Material, Verfahren, Endbearbeitung und Lieferung basierend auf der tatsächlichen Anwendung.