Wärmebehandlung

Wärmebehandlung / Belichtung / Härten / Brennen

Fast alle additiv gefertigten Bauteile werden einer anschließenden Weiterbehandlung mit Wärme unterzogen. Je nach Werkstoff wird erwärmt, belichtet, gebrannt, gesintert oder gehärtet.

Diese Nachbehandlungsschritte sind erforderlich, um eine ausreichende Bauteilfestigkeit zu erlangen, damit im Punkt Festigkeit das additiv gefertigte Bauteil herkömmlich gefertigten Bauteilen nicht unterlegen, sondern möglichst noch besser ist.

Bei Keramik- oder Metallbauteilen, die mittels Freistrahl-Bindemittelauftrag (BJT) gefertigt wurden, wird durch das anschließende Sintern erst der Binder ausgebrannt und unterschiedliche Werkstoffe fest miteinander verbunden. Schon bei der Konstruktion ist zu berücksichtigen, dass durch die thermische Bearbeitung eine gewisse Schrumpfung des Volumens eintritt.

Bauteile aus dem Verfahren Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung, DED bestehen aus Metall. Der additive Fertigungsprozess benötigt keine nachträgliche Wärmebehandlung im Sinne von Zusammengangs- oder Festigkeitserhöhung. Das ausgewählte und aufgetragene Metall bringt schon unverarbeitet eine ausreichende Festigkeit mit. Dient jedoch die aufgetragene Schicht als Verschleißschicht, ist oft ein anschließender Härteprozess notwendig.

Eine Besonderheit bietet ein Verfahren, bei dem ein Metall-Kunststoffgemisch (im Kunststoff sind noch Kohlenstoffasern gebunden) extrudiert wird. Nach dem Drucken muss das fertige Bauteil noch im Ofen gesintert werden, das Bindemittel verbrennt und das Pulver verfestigt sich zu dem dichten Metallbauteil. Da das Bindemittel vollständig verbrennt, benötigen Hohlräume keine Öffnungen mehr aus denen das restliche Pulver entweichen kann. Das Verfahren nennt sich „Atomic Diffusion Additive Manufacturing“ ADAM.

Für Bauteile aus Stahlwerkstoffen sind Vergüten und Härten Standardverfahren, um die Festigkeit und/oder die Härte und so die Verschleißfestigkeit zu steigern.

Härten: Das Bauteil wird geglüht, bis sich das Metallgitter von kubisch raumzentriert in kubisch flächenzentriert umwandelt. Nach einer kurzen Haltezeit der Temperatur erfolgt ein Abschrecken mit Waser oder Öl. Das flächenzentrierte Gitter kann sich nicht mehr Rückumwandeln. Durch anschließendes Erwärmen auf 150 °C - 300 °C wird die Sprödigkeit beseitigt, das Bauteil hat nun seine Gebrauchshärte, ist aber nicht spröde. 

Vergüten: Durch anschließendes Anlassen auf 450 °C - 650 °C erhält der Stahlwerkstoff ein feinkörniges Gefüge und somit eine höhere Festigkeit/Zähigkeit.

Das Tempern ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem das fertige Bauteil über einen Zeitraum von einigen Minuten bis Stunden unterhalb der Schmelztemperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt wird. Dadurch werden inneren Spannungen abgebaut. Das führt zu einer Erhöhung der Zähigkeit. Alle Metalle und Keramiken können getempert werden. Bei den Polymeren eignen sich PLA und PET.

Durch Glühen wird die Festigkeit und Hitzebeständigkeit eines gedruckten Bauteils verbessert. Das Bauteil aus einem Polymerwerkstoff wird soweit erhitzt, bis sich die Moleküle neu anordnen. Die neue Struktur wird fester, stabiler und weist geringere Spannungen auf.