Neues Spann- und Referenziersystem zur schnelleren Weiterbearbeitung additiv gefertigter Bauteile

Mit additiven Fertigungsverfahren lassen sich komplexe und individualisierte Bauteile besonders flexibel herstellen. Das pulverbettbasierte Laserschmelzen, kurz L-PBF für Laser Powder Bed Fusion, kommt beispielsweise in der Fertigung von Turbomaschinenkomponenten oder in der Medizintechnik immer öfter zum Einsatz. Jedoch ist die Produktionsprozesskette noch längst nicht effizient; das gilt besonders dann, wenn das Werkstück konventionell weiterbearbeitet werden muss. Um die Referenzierung zwischen den einzelnen Schritten der L-PBF-Prozesskette zu vereinfachen und die Genauigkeit der Bearbeitung zu verbessern, hat ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT aus Aachen im Projekt »GenChain« ein Spann- und Referenziersystem entwickelt, das nun zum Patent angemeldet wurde.

Aufgebaut wird ein L-PBF-Werkstück auf einer sogenannten Substratplatte. Mit dem neuen Spann- und Referenziersystem lassen sich L-PBF-Werkstücke nun an konventionellen Maschinen weiterbearbeiten, ohne dass sie vorher durch mechanische Verfahren wie Sägen oder Drahterodieren von der Substratplatte gelöst werden müssen, um dann in einem Spannsystem fixiert zu werden. Das Lösen birgt immer die Gefahr, dass sich das Bauteil aufgrund innerer Spannungen verformt. Zudem ist das exakte Referenzieren und Spannen auf konventionellen Maschinen umso schwieriger, je komplexer die Geometrie eines Bauteils ist.

Wiederverwendbare Substratplatte ermöglicht schnelleres Spannen und Referenzieren


Das neue System basiert auf einer wiederverwendbaren, keramikbeschichteten Substratplatte aus Hochtemperaturstahl, in die Zylinderstifte mit einem Durchmesser von fünf Millimetern eingelassen sind. Die Stifte dienen zur Verbindung des Bauteils mit der Substratplatte und können individuell bewegt und gelöst werden. Die Keramikbeschichtung verhindert, anders als bei herkömmlichen Substratplatten, dass die ersten Aufbauschichten des Werkstücks direkt auf das Spannsystem aufgebracht werden. Nach Abschluss des schichtweisen Aufbaus kann das Werkstück einfach auf der Substratplatte zum nächsten Arbeitsschritt transportiert werden. Das Referenzieren und Spannen des Substratplattensystems erfolgt automatisch durch ein Nullpunkt-Spannsystem auf der Unterseite. Nach dem Ende der Berarbeitung werden die Verbindungsstifte einfach gelöst. Die Stifte lassen sich kostengünstig ersetzen, während das Substratplattensystem weiterverwendet werden kann.

Durch das Nullpunkt-Spannsystem gelingt erstmals eine Standardisierung des Spann- und Referenzierungsprozesses über die gesamte Prozesskette hinweg. Der Aufwand zur Entnahme des Werkstücks verringert sich, dadurch verkürzen sich Nebenzeiten und der Automatisierungsgrad der Fertigung steigt. Sind im Bauteil Eigenspannungen vorhanden, können nach der L-PBF-Fertigung die Verbindungsstifte gelöst werden, um gezielt Bauteilverformungen zuzulassen und Risse zu verhindern. Nachfolgende Bearbeitungsschritte können dann eigenspannungsfrei durchgeführt werden.

Patentiertes System soll für Weiterentwicklungen des L-PBF genutzt werden

Das Entwicklerteam des Fraunhofer IPT hat die Technologie der Substratplatte nun zum Patent angemeldet. Um das System noch weiter zu verbessern und neue Einsatzfelder zu erschließen, planen die Wissenschaftler bereits die nächsten Forschungsprojekte: So analysiert das Team jetzt die Verbindungsfestigkeit zwischen den Zylinderstiften und dem L-PBF-Werkstück anhand von Zug- und Scherprüfungen. Experimente mit verschiedenen Pulverwerkstoffen und die Analyse unterschiedlicher Brückenstrukturen der L-PBF-Grundform sowie die Integration von Heizpatronen zwischen den Verbindungselementen, sollen die Qualität der L-PBF-Werkstücke in Zukunft weiter verbessern.

Über Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

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