Inleiding: de onderschatte kwaliteitscontrole van “reinheid”
Bij de levering van metalen 3D-geprinte onderdelen (SLM/LPBF) gaat de aandacht vaak uit naar “printparameters” zoals laservermogen, scansnelheid en laagdikte. Daarbij wordt echter vaak één feit vergeten: op het moment dat een onderdeel uit de bouwkamer komt, is het slechts een halffabricaat. Aan het oppervlak zitten nog supportstructuren, in interne holtes en kanalen bevindt zich nog ongesmolten metaalpoeder en op het oppervlak hechten gesinterde deeltjes. Of een onderdeel daadwerkelijk in een machine kan worden gebruikt, wordt vaak niet door het printproces zelf bepaald, maar door de daaropvolgende processen voor supportverwijdering en reiniging. In de industrie wordt dit traject “reinheidscontrole” genoemd. Het levert geen spectaculair visueel effect op, maar is direct verbonden met vastlopen bij assemblage, vacuümlekkage, vermoeiingslevensduur en zelfs vrijgave-compliance voor medische en lucht- en ruimtevaartonderdelen.
1. Waarom supportverwijdering en reiniging de verborgen kwaliteitscontrole van metalen 3D-printen vormen
Bij metaalpoederbedfusie voeren supportstructuren warmte af en gaan ze kromtrekken tegen. Daardoor bestaan er onvermijdelijk contactpunten tussen supports en het onderdeel. Na het printen moeten deze supports volledig worden verwijderd zonder het oppervlak van het onderdeel te beschadigen. Tegelijkertijd hecht ongesmolten poeder rond het laserbad zich aan het onderdeeloppervlak. Dit geldt vooral voor interne geometrieën zoals conforme koelkanalen, roosterstructuren en dunwandige holtes. Als poeder daar achterblijft, kan dit kanalen verstoppen, media verontreinigen of als schurend deeltje wrijving veroorzaken tijdens assemblage.
Neem een matrijs met conforme koeling als voorbeeld: de interne koelwaterkanalen hebben vaak een diameter van slechts 3–8 mm. Als achtergebleven metaalpoeder niet wordt verwijderd, neemt de koelefficiëntie tijdens spuitgieten aanzienlijk af en kunnen deeltjes in het product terechtkomen. Bij medische hulpmiddelen moeten resterende deeltjes op oppervlakken en in interne holtes voldoen aan strenge reinheidsklassen, zoals de deeltjesmetingseisen van ISO 16232. Anders kunnen biocompatibiliteits- en vrijgavebeoordelingen niet worden doorstaan. Supportverwijdering en reiniging zijn daarom geen “optionele cosmetische afwerking”, maar engineeringprocessen die functie, betrouwbaarheid en compliance beïnvloeden.
2. Supportverwijdering: keuze van methode, van mechanisch verwijderen tot precisiescheiding
De methode voor supportverwijdering moet trapsgewijs worden gekozen op basis van het supporttype, het materiaal van het onderdeel en de nauwkeurigheidseisen.
(1) Handmatig verwijderen en kniptangen. Geschikt voor kleine en middelgrote onderdelen met relatief zachte supports en weinig contactpunten. De sleutel ligt in het ontwerp van de contactpunten: meestal wordt de doorsnede van het contact tussen support en onderdeel dunner gemaakt dan de support zelf, een zogenoemd “breeknek”-ontwerp. De contactdiameter wordt doorgaans op 0,2–0,5 mm gehouden, zodat de spanning tijdens het losmaken wordt geconcentreerd in het contactpunt en niet in het onderdeel zelf. Na verwijdering blijft slechts een klein uitstulpinkje achter.
(2) Bewerking en frezen. Voor harde materialen, zoals Inconel 718 en titaniumlegeringen, of voor grote blokvormige supports is CNC-frezen efficiënter om de wortelzone te verwijderen. Tegelijk kan de resterende vlakheid van het oppervlak beter worden beheerst.
(3) Draadvonken en elektrische ontladingbewerking (EDM). Wanneer supports zich op plaatsen bevinden die mechanisch moeilijk bereikbaar zijn en het onderdeel geen snijkrachten mag ondergaan, kunnen langzaam draadvonken of EDM een “contactloze scheiding” realiseren. Daarbij moet wel rekening worden gehouden met het feit dat EDM een hersmeltlaag vormt. Na verwijdering zijn aanvullende spanningsarmgloeiing en oppervlaktebehandeling nodig.
(4) Laserbewerking en handmatige nabewerking. Voor pasvlakken met hoge eisen worden contactpuntwortels uiteindelijk met een fijne vijl, oliesteen of laser-microbewerking bijgewerkt, zodat resterende uitsteeksels gelijk liggen met het referentievlak en de Ra-waarde en vlakheid van assemblagevlakken worden gewaarborgd.
Welke methode ook wordt gebruikt, na supportverwijdering moeten kritieke pasvlakken opnieuw worden gecontroleerd op maatvoering en ruwheid. De ruwheid van supportcontactvlakken is doorgaans 2–4 keer hoger dan die van het geprinte oppervlak. Als zo’n gebied binnen een afdichtings- of glijpassing valt, moet dit in het daaropvolgende fijnbewerkingsplan worden opgenomen.
3. Poederverwijdering: beheersing van resten in interne kanalen en complexe holtes
Poederverwijdering is de grootste uitdaging binnen reinheidscontrole en moet zo snel mogelijk na het openen van de bouwkamer en vóór vochtopname plaatsvinden. Veelgebruikte methoden zijn onder meer:
(1) Stofzuigen en vibrerend ontpoederen. Het onderdeel wordt in een onderdrukstation geplaatst, gecombineerd met pneumatische of ultrasone vibratie, zodat los poeder uit interne holtes via openingen naar buiten stroomt. Voor gesloten holtes moeten vooraf ontpoederingsgaten worden voorzien, bij voorkeur met een diameter van ≥2 mm; anders kan intern poeder niet worden verwijderd.
(2) Spoelen met perslucht of inert gas. Interne kanalen worden met droge perslucht of stikstof/argon bij 0,3–0,5 MPa doorgeblazen. De luchtstroomrichting moet overeenkomen met het verloop van het kanaal. Bij brandbare reactieve poeders, zoals titaniumlegeringen en aluminium-magnesiumlegeringen, moet in een explosieveilige en inerte omgeving worden gewerkt om ontbranding van stofwolken te voorkomen.
(3) Gespecialiseerde kanaalspoeling. Voor doorlopende kanalen, zoals conforme koelkanalen, kan herhaaldelijk worden gespoeld met hogedrukwater of een speciale kanaalreinigingsinstallatie totdat er aan de uitlaat geen zichtbare deeltjes meer verschijnen. Vervolgens wordt met een debiet-drukvaltest bevestigd dat het kanaal vrij doorstroomt.
Het is belangrijk te benadrukken dat onvoldoende poederverwijdering aan de basis ligt van veel “achteraf ontstane defecten”: achtergebleven poeder kan tijdens latere warmtebehandeling sinteren en harde klonten vormen die moeilijk te verwijderen zijn. In tandwielen of glijparen kan achtergebleven poeder als abrasief werken en slijtage versnellen.
4. Reinigingsproces: van ultrasoon reinigen tot meertraps oplosmiddelreiniging
Na supportverwijdering en poederverwijdering bevinden zich nog steeds aangehechte gesinterde deeltjes, olie, vingerafdrukken en spanen op het oppervlak. Daarom is een systematische reiniging nodig. In de engineering wordt vaak een meertraps reinigingsproces toegepast:
Ultrasoon reinigen: frequentie 25–40 kHz, temperatuur 40–60 °C, tijd 5–15 min. Lage frequenties zijn geschikter voor het verwijderen van grotere deeltjes, terwijl hogere frequenties beter werken in fijne spleten. Als reinigingsvloeistof wordt gedeïoniseerd water met een neutraal reinigingsmiddel gebruikt. Voor reactieve metalen moeten chloorhoudende oplosmiddelen worden vermeden om putcorrosie en spanningscorrosie door chloride-ionen te voorkomen.
Spoelen en passiveren: na het reinigen wordt meertraps gespoeld met gedeïoniseerd water.
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.