Qualitätssteigerung mit roboterbasiertem Oberflächen-Finishing MHP kann zusätzliche Fertigungsschritte ersetzen

Das maschinelle Oberflächenhämmern bzw. Machine Hammer Peening (MHP) bringt für die generative Fertigung von metallischen Bauteilen, also für das 3D-Drucken von Metall u.a. mit Selektivem Laserschmelzen (SLM), signifikante Vorteile mit sich.

Die Technische Universität Wien unter der Leitung von Prof. Friedrich Bleicher hat die Methode des automatisierten Oberflächenhämmerns (MHP) entscheidend weiterentwickelt, um gewünschte Eigenschaften metallischer Oberflächen zu erzielen. So kann unter anderem eine deutliche Optimierung von Verschleißverhalten, Reibung, chemischer Widerstandsfähigkeit sowie statischer und dynamischer Festigkeit erreicht werden. 

Oberflächenhammer – in Industrierobotern einsetzbar

Prof. Bleicher erklärt das Prinzip der neuartigen Bearbeitungsmethode des maschinellen Oberflächenhämmerns im Detail: „Dabei wird ein Hammerkopf durch einen Aktuator in eine oszillierende Bewegung versetzt, der bei jedem Einschlag eine mechanische Umformung in mikroskopischem Bereich bewirkt. Mit der richtigen Hammertechnik lassen sich damit innere Druckspannungen in der oberflächennahen Randzone des Werkstückes hervorrufen.“

MHP für Bauteile aus dem 3D-Drucker

Dank verbesserter und beschleunigter Verfahren ist in den letzten Jahren auch die generative Fertigung bzw. der 3D-Druck von Metallteilen für industrielle Anwendungen interessant geworden. Klare Vorteile gegenüber Material abtragenden Verfahren ergeben sich dadurch, dass in der generativen Fertigung die Komplexität der hergestellten Bauteile die Fertigungskosten nur unwesentlich erhöht – insbesondere bei kleinen Losgrößen.

Waren dabei bisher meist noch sehr aufwändige zusätzliche Fertigungsschritte notwendig, um die geforderte Oberflächenqualität zu erreichen, so können sie nun weitgehend oder fallweise gänzlich durch einen einzigen, effizienten Schritt – mittels MHP – ersetzt werden.

Oberflächenhämmern - mit handelsüblichen Komponenten

Durch MHP-Oberflächenbehandlung lassen sich viele oberflächennahe Unregelmäßigkeiten im Bauteil, beispielsweise Poren, beseitigen. Zusammen mit der Modifikation von Eigenspannungen und der Verbesserung der Oberflächengüte bietet sich MHP als Prozessschritt direkt nach der generativen Herstellung oder nach einer erfolgten, weiteren Bearbeitung an. Die schlechte Oberflächengüte ist derzeit – neben langen Prozesszeiten und teuren Pulvermaterialien – die wesentliche Schwachstelle der industriellen Anwendung von 3D-Druck von Metallen.

Die Abkühlung an den Außenflächen der Werkstücke erfolgt rascher als im Inneren, wodurch es zur Bildung von Poren und ungünstigen Eigenspannungszuständen kommt. Diese sind vor allem im Werkzeug- und Formenbau, wo komplexe Geometrien mit hoher Oberflächengüte gefordert sind, nicht tolerierbar. Mittels MHP lassen sich einerseits die Poren schließen und andererseits die prozessbedingten Zugeigenspannungen in den oberflächennahen Randschichten der Bauteile in Druckeigenspannungen umwandeln. So kann Rissbildung während der Nutzung vorgebeugt und die Lebensdauer von Formen deutlich erhöht werden.

„Die Anwendung von Oberflächenhämmern auf generativ hergestellte Bauteile“, ist Prof. Bleicher deshalb überzeugt, „könnte den Durchbruch in der Verwendung von generativen Verfahren bringen, und zwar im Werkzeug- und Formenbau sowie bei vielen anderen stark belasteten Bauteilen.“