Nachbearbeitung von 3D-Druckstücken

Der Irrglaube, dass 3D-gedruckte Teile fertig aus dem 3D-Drucker kommen, verschwindet allmählich. Oft fühlt sich ihre Oberfläche noch sehr rau an, oder die Stützstrukturen, die zum Drucken des Teils benötigt wurden, hängen noch daran. Die Nachbearbeitung ist daher heute das Unterscheidungsmerkmal der additiven Fertigung (AM). In dem Maße, wie die Techniken reifen, steigen auch die Anforderungen der Endkunden. 

Die Nachbearbeitung umfasst eine Reihe von Techniken, die ein unfertiges 3D-gedrucktes Teil in etwas Bearbeitbares, Präsentierbares und Verkaufbares verwandeln. Einige dieser Techniken finden bei allen AM-Techniken Anwendung. Andere sind sehr spezifisch mit bestimmten 3D-Drucktechniken verbunden. Sie haben jedoch alle das gleiche Ziel: das 3D-gedruckte Teil in die gewünschte Endform zu bringen. 

Die Bedeutung der Nachbearbeitung nimmt zu. Schließlich wird der 3D-Druck zunehmend als Produktionstechnik eingesetzt, was auch die Anforderungen an die Endqualität erhöht. 3D-gedruckte Teile sehen heute besser aus (und fühlen sich besser an) als je zuvor. Was genau an Nachbearbeitung erforderlich ist, hängt von der verwendeten 3D-Drucktechnologie und dem endgültigen Bestimmungsort und der Endverwendung der 3D-Druckstücke ab. 

Ein klarer Trend, der sich heute abzeichnet, ist der zunehmende Grad der Automatisierung. Das manuelle Polieren von 3D-gedruckten Teilen ist nicht nur teuer, sondern bietet vor allem kaum Garantien für eine gleichbleibende Endqualität.

Warum?

Die Nachbearbeitung kann aus ästhetischen oder funktionalen Gründen erfolgen. Wenn nur ein grober Prototyp benötigt wird, kommt die Nachbearbeitung vielleicht nicht ins Spiel, aber fast alle Teile, die aus dem 3D-Drucker kommen, müssen in irgendeiner Form nachbearbeitet werden. Wir listen die wichtigsten Gründe auf:

• Festigkeit: Spröde Teile können gehärtet werden.
• Wasser- und UV-Beständigkeit: Durch die Glasur sind die Stücke weniger porös und widerstandsfähiger gegen Wasser und UV-Licht.
• Toleranzen: Bei kritischen Teilen sorgen präzise geführte und kontrollierte Nachbearbeitungstechniken für die gewünschten Ergebnisse.
• Thermische Stabilität: Eine Wärmebehandlung kann die Hitzebeständigkeit und damit die mechanische Zuverlässigkeit erhöhen.
• Geringere Reibung: Polieren und andere Veredelungstechniken verbessern die Glätte der Teile und damit das Zusammenspiel mit anderen Teilen.
• Glatteres Aussehen: Oberflächenbehandlungsverfahren verringern die Rauheit.
• Weicherer Griff: Durch die Glasur fühlen sich die Stücke weicher an, was für die Verbraucher ein wichtiges Kriterium sein kann.
• Kontrollierter Glanz: Mit der Nachbearbeitung kann der Glanz eines Werkstücks genau bestimmt werden.
• Beseitigung von Produktionsspuren: Die Oberflächenbehandlung dient schließlich auch dazu, dass die Linien nicht mehr sichtbar sind.

Entfernung der Stützstrukturen und Reinigung

3D-Drucker werden für ihre Gestaltungsfreiheit gelobt, mit der sie extrem komplexe Formen an den Strand bringen. In bestimmten Fällen sind während des Druckvorgangs Stützstrukturen erforderlich, die verhindern, dass das Teil zusammenbricht, solange es noch nicht seine volle Form angenommen hat. Diese müssen nach dem 3D-Druck natürlich wieder entfernt werden. Dazu werden sie einfach abgebrochen (manuell oder mit einer Zange), was häufig der Fall ist, wenn sie aus dem gleichen Material wie das 3D-gedruckte Teil bestehen. Andere Stützstrukturen bestehen aus einem bestimmten Material, das später in einer Flüssigkeit aufgelöst werden kann, um ein schnelleres und schöneres Ergebnis zu erzielen. 

Entfernung von Druckpulver

Viele der am häufigsten verwendeten 3D-Drucktechniken verwenden Pulver als Ausgangsmaterial. Nach der Fertigstellung des Werkstücks verbleibt oft ein pulverförmiger Rückstand auf der Oberfläche, der entfernt werden muss. Dies kann zwar manuell durch Fegen oder Staubsaugen geschehen, doch ist es schneller, effizienter und sicherer, eine geeignete Maschine für diesen Zweck einzusetzen, vor allem, wenn der Produktionsumfang zunimmt. Hierfür gibt es verschiedene Techniken, die von Druckluft, Wasser und Scheuermitteln bis hin zum Rotieren und Vibrieren der Teile reichen, um das "Abpudern" zu beschleunigen.

Waschen von 3D-gedruckten Teilen

Verfahren, bei denen Harze verwendet werden, wie z. B. SLA, können eine klebrige Substanz zurücklassen. Diese Harze müssen entfernt werden, bevor andere Nachbearbeitungstechniken folgen können oder bevor die 3D-gedruckten Teile getestet oder ausgeliefert werden können. Dies kann durch manuelles Einweichen in einem Lösungsmittel (z. B. Isopropanol) geschehen, aber es gibt auch Maschinen, die dies auf programmierte und kontrollierte Weise tun können.       

Das 3D-gedruckte Teil muss möglicherweise vorsichtig im Lösungsmittelbad geschüttelt werden oder eine Reihe von Bändern durchlaufen.

Wärmebehandlung: Anlassen, Härten, Sintern

Die meisten 3D-gedruckten Teile werden einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen. Dies fördert die Verschmelzung der 3D-gedruckten Schichten und sorgt für die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Metalls. Unter bestimmten Umständen kann dies auch dazu dienen, unerwünschte Verunreinigungen, wie z. B. eine Oxidschicht, zu entfernen. Dies kann bereits im 3D-Drucker geschehen, es gibt aber auch eigenständige Geräte. Das Aushärten gilt vor allem für 3D-gedruckte Teile aus Harzen und wird unter UV-Lampen durchgeführt. Metalle und Keramiken werden oft noch gesintert, um eventuelle Metallpartikel zur Verstärkung der Teile zusammenzusintern.

Oberflächengüte

Natürlich arbeiten die 3D-Drucker immer noch mit Schleifpapier, um ihre Teile zu glätten, aber zunehmend werden Maschinen eingesetzt, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Um 3D-gedruckte Teile glatter zu machen ("Glätten"), kann ein mechanischer oder ein chemischer Ansatz gewählt werden. Sie dient dazu, sichtbare Linien zwischen den Schichten zu beseitigen, ein unerwünschter Nebeneffekt, der selbst beim 3D-Druck mit hoher Auflösung auftreten kann. Bei beiden Methoden wird etwas Material abgetragen, um die gewünschte Oberflächenrauhigkeit zu erreichen. 

Die mechanische Verglasung wird je nach den verwendeten Rohstoffen mit unterschiedlichen Strahlmitteln durchgeführt. Es kann gestrahlt oder vibrierend gearbeitet werden. Diese Verfahren sind automatisiert und gut kontrollierbar. Chemisches Glätten wird meist mit FDM-Drucktechniken durchgeführt, aber auch hier kann es manchmal an Genauigkeit mangeln.

Inspektion von 3D-gedruckten Teilen

Der letzte Schritt in der Nachbearbeitung ist die Kontrolle der gelieferten Arbeit. Eine Sichtprüfung kann natürlich schon etwas aussagen, aber zunehmend werden Techniken eingesetzt, die auch bei klassischen Bearbeitungsverfahren zum Qualitätsnachweis dienen. Mit einer CMM-Messmaschine lassen sich zum Beispiel die Abmessungen eines 3D-gedruckten Teils ebenso gut abbilden. 

Eine Alternative ist der Einsatz von 3D-Metrologie-Scannern, bei denen die Geschwindigkeit noch etwas höher ist. Mit Hilfe von Roboterarmen und geeigneter 3D-Software kann dieser Prozess auch automatisiert werden.