Probleme an der Oberfläche

Metallbauteile aus dem 3-D-Drucker geben Oberflächentechnikern Rätsel auf. Ihre Porosität macht in mechanischen, chemischen und elektrochemischen Verfahren ebenso Probleme, wie beim Beschichten. Letztlich ist nicht einmal zu klären, wo die Oberfläche der aus Pulver aufgebauten Teile überhaupt beginnt und endet. Experten mahnen neue Technologien an, für die es der Kooperation zwischen Anlagenbauern, Materialherstellern und Anwendern bedarf.

Als Oberflächentechniker weiß Olaf Böhme, welchen Einfluss Oberflächen auf die Eigenschaften von Bauteilen haben: "Korrosionsbeständigkeit, die optische und haptische Anmutung, das Reinigungsverhalten, Bildung von Belägen, tribologische Eigenschaften, Verschleiß, Rissbildung oder die Biokompatibilität hängen von den Eigenschaften jener äußeren Werkstoffschicht ab, die wir als Oberfläche begreifen", so Böhme, der bei der Münchner Poligrat GmbH für die Forschung und Entwicklung verantwortlich ist. Rund 80 % der Bauteileigenschaften seien oberflächenabhängig.

Poligrat ist darauf spezialisiert, Metalloberflächen zu veredeln und wendet dafür je nach Anwendung und Metall unterschiedliche Verfahren an: Mal Elektropolieren, mal chemisches Polieren oder Beizen, Beschichten, Entgraten, Anodisieren sowie Passivieren. Mittlerweile bekommt Böhme auch additiv gefertigte Metallteile zur Veredelung - und stößt mit den herkömmlichen Verfahren an Grenzen. Das Rätsel ist für ihn grundlegender Natur: "Bei der mikroskopischen Betrachtung ist nicht einmal zu klären, wo die Oberfläche eines additiv gefertigten Werkstücks beginnt und wo sie endet", erklärt er.

Der Aufbau aus verschmolzenem Metallpulver mit üblichen Korngrößen zwischen 30 µm und 80 µm führe zu einer Struktur mit von innen nach außen zunehmender Porosität. Genau diese körnige Struktur bringt Probleme mit sich. "Wenden wir mechanische Verfahren wie das Schleifen, Strahlen oder Bürsten an, dann schmieren wir letztlich mit den Partikeln der äußeren Schichten die Unebenheiten darunter zu, wobei sich ein glatter Blechmantel bildet", erläutert er. In vielen Anwendungen sei das durchaus ausreichend. Allerdings sei dieser Blechmantel mitnichten so korrosionsbeständig wie das Innere des Bauteils und zudem sei er bei häufig wechselnder Belastung anfällig für Rissbildung. Und wenn zusätzlich eine elektrochemische Behandlung erforderlich oder gewünscht sei, dann komme es an der vermeintlich glatten Oberfläche schnell zu Auflösungserscheinungen.

Erst recht problematisch: Bauteile, die aus unterschiedlichen Pulvern bestehen. Denn diese Mischungen reagieren nicht homogen auf die chemische und elektrochemische Oberflächenbehandlung. Mit diesen Verfahren ist additiv gefertigten Bauteilen laut Böhme ohnehin nur bedingt beizukommen. Zwar dringen die Chemikalien tief in die porösen Bauteile ein und passivieren auch die Oberflächen im Innern. Auch lösen sie lose Partikel ab. Doch da heutige, in der Oberflächentechnik eingesetzte Elektrolyte auf das Einebnen von Unebenheiten im niedrigen einstelligen µm-Bereich ausgelegt sind, bleiben die Oberflächen nach dem (elektro-)chemischen Eingriff stumpf. "Die 30 µm bis 80 µm großen Körner werden nur abgerundet. Eine Einebnung findet nicht statt", erklärt Böhme.

Bleibt als letzte Möglichkeit das Beschichten. "Galvanisieren fällt bei porösen Teilen von vornherein aus, da sich die Chemikalien in den Poren sammeln", so der Experte. Auch beim Lackieren oder Emaillieren von Teilen aus dem 3-D-Drucker gebe es klare Einschränkungen: "Die Beschichtungen platzen schon bei kleineren Druck- oder Temperaturwechseln ab", berichtet Böhme. Dieses Phänomen sei auf den Druckanstieg in den Poren zurückzuführen.

Die Oberflächenprobleme schränken den Einsatz additiv gefertigter Bauteile in vielen Anwendungsbereichen ein. Erhöhte Anfälligkeit für Korrosion und Rissbildung nach der mechanischen Bearbeitung stellen die Einsätze gedruckter Implantate laut Böhme ebenso infrage, wie Anwendungen in korrosiven Milieus im Fahrzeugbau oder in Maschinen und Anlagen. Stumpfe Oberflächen seien ein Ausschlusskriterium in Sichtbereichen. Auch ihr schlechtes Reinigungsverhalten und die mit ihrer Rauigkeit einhergehende Reibung könnten die Vorteile von additiv gefertigten Komponenten in vielen Anwendungsbereichen zunichte machen.

Böhmes Fazit: "Es muss eine neue Oberflächentechnik her, die speziell auf additiv gefertigte Bauteile und ihre ganz spezifische Materialstruktur ausgerichtet ist." Die Entwicklung solcher Verfahren sei für einschlägige Experten nur im Schulterschluss mit Anlagenbauern, Materialherstellern und Anwendern aus dem 3-D-Druck möglich. Denn höchstwahrscheinlich erfordere eine für alle Beteiligten zufriedenstellende Lösung schon eine veränderte Planung der Bauteile, welche sowohl die Funktionen ihrer Oberflächen als auch deren Bearbeitung in den Blick nehme. Diese Planung müsse dann durch eine veränderte Prozessführung der Anlagen umgesetzt werden.

"Aktuell ist es so, dass die Oberflächentechnik als letztes Glied in der Kette retten soll, was noch zu retten ist", so Böhme. Die Bauteile, die zur Veredelung angeliefert werden, haben die komplette Kette von Design, Simulation, Konstruktion, Fertigung und Wärmebehandlung und Nachbearbeitung durchlaufen und haben entsprechend ihren Wert. "Wenn wir diese dann aus Sicht des Kunden verhunzen, sind Konflikte vorprogrammiert." Darum appelliert der Experte, Oberflächentechniker sehr viel früher in die Planung einzubinden und mit ihnen von vornherein über die Möglichkeiten und Grenzen der Veredelung additiv gefertigter Bauteile zu sprechen. "Gemeinsam sollten wir dann daran arbeiten, die dargestellten Grenzen systematisch zu verschieben".

Autor des Artikels

Peter Trechow