Additive Fertigung

Aus acht Bauteilen mach eins dank generativer Fertigung

Die Olympus Surgical Technologies Europe und das Rapid Technology Center (RTC) Duisburg der Universität Duisburg-Essen untersuchten gemeinsam anhand zweier Applikationsbeispiele den technologischen Stand des Strahlschmelzverfahrens. Die Machbarkeit überzeugte. So vereint das neue Design eines Video-Ureteroskopes die bisherigen acht Einzelteile und sieben Fügeprozesse in einem Bauteil. Trotz des positiven Ausgangs dieser Gemeinschaftsstudie wurde bis heute keines der beiden Anwendungsbeispiele in die Serienfertigung überführt. Als Gründe sind hier primär die lange Anlaufphase bei eigener Maschine, die verhältnismäßig langen Bauzeiten und der Nachbearbeitungsaufwand der strahlgeschmolzenen Oberflächen zu nennen.
Bild 2: Anlageneinrichtung für den Aufbau der hybriden Zugproben

Die Olympus Surgical Technologies Europe generiert 40 Prozent ihres Umsatzes mit Produkten, die jünger als zwei Jahre sind. Im Bereich der minimal-invasiven Chirurgie konzentriert sich Olympus Surgical besonders auf die Geschäftsfelder Endoskopie, Elektrotherapie (HF, RF), Systemintegration und Wiederaufbereitung. Anwendungsfelder hierfür stellen die allgemeine Chirurgie (Laparoskopie), Urologie, Gynäkologie, Orthopädie und HNO dar, in denen nahezu ausschließlich wiederverwendbare Instrumente angeboten werden. Dabei ist die Fertigung solcher Instrumente durch folgende Aspekte gekennzeichnet:

kleine Losgrößen durch umfangreiches Produktportfolio,

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hohe Teilevielfalt pro Artikel für optimale Funktionalität und ergonomische Gestaltung,

hoher Innovationsgrad.

Gerade hier bieten sich somit die generativen Fertigungsverfahren und insbesondere das Strahlschmelzen [1] von Bauteilen aus Edelstahl an, da sie die Herstellung sehr individueller und komplexer Geometrien erlauben.

Applikationsbeispiel Hybrid-Maulteil von Handinstrumenten

Bei dem ersten Applikationsbeispiel werden geometrische Strukturen durch Strahlschmelzen direkt auf gespante Körper aufgebaut. Dabei handelt es sich um Maulteile von chirurgischen Handinstrumenten, die in Hybridbauweise hergestellt werden, um die Vorteile der spanenden Fertigung mit denen der generativen Fertigung zu kombinieren. Der untere Teil dieser Bauteile repräsentiert dabei das bewegliche, zerspanend hergestellte Gelenk (Bild 1 links), das eine hohe Präzision und eine optimale Oberfläche erfordert, damit es sich spielarm bewegen lässt und die Greifverzahnungen genau positioniert werden können. Im oberen Teil des Bauteils unterscheiden sich die Maulteilgeometrien insbesondere für neue Konzepte deutlich voneinander. Entsprechend den klinischen Anforderungen werden Maulformen in hoher Varianz angeboten. Damit einher gehen eine aufwändige NC-Programmierung und ein aufwändiges Handling der Bauteile. Alternativ werden hier die Vorteile des Strahlschmelzens wie hohe Flexibilität und Komplexität der Bauteile ideal ausgenutzt.

Da die Grundvoraussetzung für die Umsetzung der Hybrid-Maulteile die Festigkeit an der Verbindungsstelle (Anbindungsstelle) ist, wurden zunächst Vorversuche an hybrid aufgebauten Zugproben durchgeführt. Die Zugproben wurden aus den gleichen Werkstoffen wie die geplanten Hybrid-Maulteile aufgebaut, entsprechend der Vorgaben aus der Praxis unterschiedlich wärmenachbehandelt und anschließend gezogen. Eine Übersicht über die Spezifikation der Zugproben ist in Bild 1 (rechts) zu sehen. Für die zu untersuchenden Werkstoffpaarungen wurde der Edelstahl Custom 455 (Werkstoffnummer 1.4543) der Carpenter Technology Corporation für den Rohling und der Edelstahl EOS StainlessSteel PH1 (Werkstoffnummer 1.4545) der EOS GmbH für den Aufbau ausgewählt. Bei der zumindest teilweise stattfindenden Wärmebehandlung nach H900 der hybriden Zugproben handelt es sich um Ausscheidungshärten. Insgesamt ergaben sich die drei folgenden unterschiedlich wärmebehandelten Werkstoffpaarungen für alle Längenverhältnisse der hybriden Zugproben:

Rohling (Custom 455) und Aufbau (PH1) ungehärtet – im Folgenden als „ungehärtet“ bezeichnet;

Rohling (Custom 455) gehärtet und Aufbau (PH1) ungehärtet – als „teilgehärtet“ bezeichnet;

Rohling (Custom 455) und Aufbau (PH1) gehärtet – als „gehärtet“ bezeichnet.

Für die reproduzierbare Herstellung der hybriden Zugproben wurde eine Einspannvorrichtung entwickelt, die gewährleistet, dass die Rohlinge genau positioniert werden und auf einem Höhenniveau liegen. Die Einspannvorrichtung fixiert dabei die eingeschraubten Rohlinge senkrecht zur Bauebene. Nachdem die Einspannvorrichtung mit dem Bauplattformträger der Anlage verschraubt, nivelliert und ausgerichtet wurde (Bild 2 a), wurde die genaue Lage der abgeschliffenen Probenoberflächen in der Pulverbettebene zum auftreffenden Laserstrahl bestimmt und die aufzubauenden Geometrien auf die jeweilige Position gesetzt (Bild 2 b). Hierfür wurde eine Kamera mit langer Belichtungszeit und einstellbarer Blende verwendet, damit der Konturverlauf des Lasers auf der Rohlingoberfläche aufgenommen werden konnte. Wies die Verlaufsbahn des Lasers Unterbrechungen oder Lücken im Vergleich zu der Außenkontur des Rohlings auf, wurde die Position der Aufbaugeometrie solange variiert, bis eine vollständige Deckung des Laserstrahls mit der Außengeometrie vorlag. Dieser Vorgang erfolgte für jede Probe einzeln. Anschließend wurde das Pulver über die Bauplattform eingefüllt, eingeebnet und der Bauprozess gestartet (Bild 2 c–e). Bild 2 f zeigt die fertig aufgebauten Hybridzugproben, deren Übermaß im Anschluss auf die Endkontur nach DIN 50125 [2] abgedreht wurde. Insgesamt standen 27 hybride Zugproben für die Auswertung des Zugversuchs nach DIN 10002-1 [3] zur Verfügung.

Als erstes Ergebnis aus dem Zugversuch ist anzumerken, dass keine der getesteten Zugproben an der Verbindungsstelle gerissen ist. Der Bruch erfolgt bei den ungehärteten Proben im Werkstoff Custom 455 und bei den teilgehärteten und gehärteten Proben im Werkstoff PH 1. Bild 3 zeigt exemplarisch die Ergebnisse der gemittelten Werte für die Zugfestigkeit aller Hybridzugproben. Es fällt auf, dass in keinem Behandlungszustand eine Abhängigkeit der Zugfestigkeit von den Längenverhältnissen vorliegt. Die Werte der Zugfestigkeiten streuen bei Proben im ungehärteten Behandlungszustand nur um 22 N/mm². Vergleicht man die Behandlungszustände, fallen die Ergebnisse dagegen stark unterschiedlich aus. Die gemittelten Werte steigen hier vom ungehärteten Zustand mit 954 N/mm² über 1259 N/mm², im teilgehärteten Zustand, auf 1498 N/mm², im gehärteten Zustand, an (≙ 57 %). Diese Ergebnisse korrelieren stark mit den Zugfestigkeiten der Vollproben (Bild 3 rechts). Die Hybridproben versagen bei den Festigkeitswerten des jeweils vorliegenden schwächeren Materials.

Durch die anwendungsorientierte Festigkeitsuntersuchung der hybriden Zugproben und die erzielten Ergebnisse, fiel die Entscheidung, reale Maulteile durch hybride Fertigung aufzubauen. Die Vorgehensweise bei der Fertigung dieser Bauteile findet in Analogie zu den hybriden Zugproben statt. In Bild 4 zeigt die unterschiedlichen Maulteilpaare jeweils im unbearbeiteten und nachbearbeiteten Zustand zu sehen.

Applikationsbeispiel Video-Ureteroskop

Im zweiten Applikationsbeispiel standen anhand eines Video-Ureteroskops die Integralbauweise und die Herstellung von Freiformflächen im Fokus. Kernstück des Video-Ureteroskopes ist der so genannte Hauptkörper mit der Bedieneinheit. Dieser Hauptkörper wird in der herkömmlichen Serienfertigung aus acht Einzelteilen spanend hergestellt (Bild 5 unten links). Da die Instrumente möglichst leicht sein sollen, sind die Einzelteile recht dünnwandig und das Spanvolumen sehr groß. Wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit und der ausgezeichneten Schweißbarkeit wird als Werkstoff der rostfreie Edelstahl 1.4301 verwendet. Zu beachten sind bei dieser Konstruktion die Durchdringungen, die sich nur sehr aufwändig laserschweißen lassen, da auf minimale Fügespalte zu achten ist. Alternativ dazu ließ sich der Hauptkörper für das Strahlschmelzen modifizieren. Das neue Design vereint die acht Einzelteile und sieben Fügeprozesse in einem Bauteil (Bild 5 unten Mitte).

Die Konstruktion mit Freiformflächen erlaubt sanftere Übergänge insbesondere bei den Durchdringungen und somit eine bessere Ergonomie. Das Bauteil hat insgesamt ein geringeres Volumen und ist leichter als die gespante Baugruppe. Des Weiteren kann auf einige Dichtelemente verzichtet werden. Im Anschluss erfolgt die Umsetzung des neuen Designs durch das Strahlschmelzen aus dem Edelstahl GP 1 - Werkstoffnummer 1.4542 (Bild 5 unten rechts). Zuletzt wird das Bauteil noch oberflächig und mechanisch nachbearbeitet, um sowohl eine geringere Rauheit zu erzielen, als auch um die Passungen und Gewinde herzustellen. Das fertig montierte Video-Ureteroskop mit neuem Design des Hauptkörpers ist in Bild 5 oben rechts zu sehen.
Beide Teilprojekte, die Hybridbauteile (Maulteile) sowie die Integralbauweise (Video-Ureteroskop), konnten technisch erfolgreich abgeschlossen werden. So zeigen die durchgeführten Zugversuche der hybriden Zugproben, dass unabhängig von den unterschiedlichen Wärmebehandlungszuständen und Längenverhältnissen der beiden Hybridwerkstoffe keine der gezogenen Proben an der Füge- bzw. Anbindungsstelle versagt, so dass die realen, hybriden Maulteile erfolgreich aufgebaut und getestet werden konnten. Weiter konnten durch die Umgestaltung und das neue Design des Hauptkörpers des Video-Ureteroskopes die Einzelteile reduziert und zusätzliche Fügeprozesse vermieden werden, wodurch sich ebenfalls die Anzahl der Dichtstellen als potenzielle Fehlstellen verringern ließen. -mc-

Dr.-Ing. Uwe Schöler ist Mitarbeiter der Olympus Surgical Technologies Europe; Dr.-Ing. Jan T. Sehrt ist Mitarbeiter des Instituts für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen

Literatur

1. Verein Deutscher Ingenieure (VDI): Generative Fertigungsverfahren - Rapid Technologien (Rapid Prototyping) - Grundlagen, Begriffe, Qualitätskenngrößen, Liefervereinbarungen. Dezember 2009. VDI 3404

2. Prüfung metallischer Werkstoffe - Zugproben. DIN 50125 Januar 2004

3. Metallische Werkstoffe - Zugversuch - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur. DIN EN 10002-1 Dezember 2001

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