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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten eines generativ gefertigten Bauteils aus einem Metall.
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Generative Fertigungsverfahren, oft auch als 3D-Druck bezeichnet, finden eine immer breitere Anwendung. Generativ gefertigte Bauteile haben meist eine sehr raue Originaloberfläche. Die Rauigkeit entspricht dabei oft in etwa der Korngröße des verwendeten Pulvers. Daher ist bei diesen Bauteilen im Regelfall eine Nachbereitung der Oberfläche nötig. Die Oberfläche von generativ gefertigten Bauteilen können mechanisch bearbeitet werden, z.B. durch Fräsen oder Schleifen. Bei innenliegenden Oberflächen ist eine mechanische Nachbearbeitung schwierig bis unmöglich. Außerdem werden durch die mechanische Bearbeitung zusätzliche Eigenspannungen eingebracht.
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Elektropolieren ist ein weiteres Verfahren zum Glätten von Bauteilen. Mit dem Elektropolieren glättet man Oberflächen im Mikrobereich. Beim Elektropolieren wird ein zu polierendes Bauteil in einem geeigneten Elektrolytbad unter gleichzeitigem Einsatz einer Gleichspannungsquelle als Anode geschaltet und dadurch lokal abgetragen. Da die Abtragsrate an den Stellen mit den größten Stromdichten am größten ist, werden bevorzugt Rauigkeitsspitzen eingeebnet. Um die makroskopische Oberflächenkontur möglichst gut zu erhalten, sollte die für den Prozess notwendige Elektrode, die die Kathode darstellt, möglichst dem Negativ des Bauteils entsprechen. Bei komplexen Bauteilen ist dies schwer zu realisieren, da hierzu aufwändig gefertigte Elektroden notwendig wären. Stattdessen wird oft die metallische Hülle des Bades als Gegenelektrode verwendet. Dadurch kommt es zu einer sehr uneinheitlichen Abtragsrate. Dieses Verfahren behandelt lediglich die Außenoberfläche des Bauteils.
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Ein Verfahren zum generativen Fertigen eines Bauteils ist beispielsweise aus der
EP 2 851 145 A1 bekannt.
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Ein Verfahren zum Elektropolieren ist beispielsweise aus der
DE 695 13 029 T2 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Glätten eines generativ gefertigten Bauteils zu schaffen, mit dem eine hohe Oberflächengüte auch an unzugänglichen Oberflächen erzielt werden kann, auch wenn das Bauteil einen komplexen Bauteilhohlraum aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Das Verfahren zum Glätten eines generativ gefertigten Bauteiles aus einem Metall umfasst zwei Schritte: Das gleichzeitige generative Fertigen eines Bauteiles und einer Elektrode und das Elektropolieren des Bauteiles unter der Verwendung der Elektrode. Das Elektropolieren des generativ gefertigten Bauteils bewirkt, dass die Rauigkeit der Oberflächen verringert und dadurch die Ermüdungsfestigkeit erhöht wird. Denn grobe, raue Oberflächen weisen zahlreiche Ungänzen auf, die als Rissausgang fungieren können. Das Elektropolieren des Bauteils bewirkt ferner, dass physikalische Eigenschaften, wie z.B. Höhe des Reibwertes, optische Eigenschaften, wie Reflexionen, Hafteigenschaften, Adhäsionverhalten, Verschmutzung, Benetzungsverhalten und Beschichtungsverhalten verbessert werden. Die hohe Oberflächengüte elektropolierter Bauteile erweitert die Einsatzmöglichkeit. Durch das gleichzeitige generative Fertigen von Bauteil und Elektrode können die Elektroden an jeder beliebigen Stelle in und um das Bauteil entstehen, ohne dass es zu Einschränkungen durch die Zugänglichkeit kommt. Dadurch ist es möglich, dass die Gestalt der Elektrode der Geometrie des Bauteils exakt folgen kann. Ferner ist es dadurch möglich, komplexe Strukturen von Bauteilen zu elektropolieren. Der Prozess kann automatisiert ablaufen. Gerade für Kleinserien, dem Hauptanwendungsgebiet generativ gefertigter Bauteile, ist das von Vorteil.
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Ferner weist das Bauteil einen Bauteilhohlraum mit einer zu elektropolierenden Bauteilinnenoberfläche auf, die mit einer Elektrode korrespondiert, die eine Innenelektrode ist. Besonders für Innenelektroden eignet sich ein gleichzeitiges generatives Fertigen von Bauteilen und Elektroden, weil das gleichmäßige Elektropolieren auf der Bauteilinnenoberfläche von Bauteilhohlräumen besonders schwierig ist.
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Schließlich wird nach dem Elektropolieren der zu elektropolierenden Bauteiloberfläche die Innenelektrode als Anode und das Bauteil als Kathode geschaltet, um die Innenelektrode aufzulösen. Dies ist notwendig, wenn das Bauteil einen komplexen Bauteilhohlraum aufweist und die Innenelektrode nicht entfernt werden kann. Dadurch, dass die Innenelektrode als Anode und das Bauteil als Kathode geschaltet wird, wird die Elektrode elektropoliert und dadurch langsam aufgelöst, während das Bauteil selbst kathodisch geschützt ist und nicht weiter abgetragen wird. Das Elektropolieren der Innenelektrode wird solange fortgesetzt bis diese völlig aufgelöst oder mechanisch entfernbar ist. Dabei führt eine Hohlstruktur der Innenelektrode dazu, dass diese sich schneller auflöst.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die aufzulösende Innenelektrode unterschiedliche Wanddicken auf, um die Auflösung der Innenelektrode zu steuern. Durch geschickte Gestaltung der Wanddicken der Innenelektrode wird deren Auflösung örtlich und zeitlich gesteuert. Sobald die Gegenelektrode ganz aufgelöst ist oder die Reste aus dem Bauteil entnommen werden können, ist der Prozess abgeschlossen. Eine dünnwandige Struktur der Elektrode bewirkt, dass sich die Elektrode schneller auflöst.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass bei dem Auflösen der Innenelektrode ein Elektrolyt in einem Elektrolyt-Kreislauf geführt wird. Durch den Elektrolyt werden gelöste Metallionen der Innenelektrode abgeführt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass bei dem Auflösen der Innenelektrode ein gepulster Strom verwendet wird. Dadurch, dass der Elektrolyt in einem Elektrolyt-Kreislauf geführt wird und der Strom gepulst wird, wird eine Anlagerung der Metallionen am Bauteil verhindert. Ferner führt dies bei der Auflösung der Innenelektrode dazu, dass das Ergebnis der vorhergehenden Glättung der Bauteiloberfläche während des Auflösens nicht wieder durch Anlagerung von Metallionen verschlechtert wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist derart, dass das generative Fertigen ein Verfahren ist, bei dem das Bauteil und die Elektrode durch ein Aufschmelzen eines Metallpulvers gebildet werden. Die ist für das gleichzeitige Fertigen von Bauteil und Elektrode besonders geeignet.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das generative Fertigen ein Pulverbettverfahren ist. Dies ist besonders geeignet für ein gleichzeitiges Fertigen eines Bauteiles und einer Elektrode.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen das Bauteil und die Elektrode einen konstanten Bauteil-Elektroden-Abstand beim Elektropolieren auf. Der konstante Bauteil-Elektroden-Abstand zwischen der zu elektropolierenden Bauteiloberfläche und der benachbarten Elektrodenoberfläche führt zu einer konstanten Stromdichte. Durch die konstante Stromdichte während der Elektropolitur werden die Rauigkeitsspitzen gleichmäßig abgetragen und eine hohe Oberflächengüte und eine hohe Formtreue als Ergebnis der Elektropolitur erreicht.
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Eine Ausgestaltung besteht darin, dass der Bauteil-Elektroden-Abstand mehr als 1 mm beträgt. Dadurch, dass die Größe des Bauteil-Elektroden-Abstands mehr als 1 mm beträgt, wird vermieden, dass es durch einen zu geringen Bauteil-Elektroden-Abstand zu einem Kurzschluss kommt.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine zu elektropolierende Bauteilaußenoberfläche aufweist, die mit einer Elektrode korrespondiert, die eine Außenelektrode ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung setzt sich die Elektrode aus Teilelektroden zusammen. Dies bewirkt, dass die Elektroden leicht entfernt werden können, wenn die Bauteilgeometrie komplex ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Elektrode eine dünnwandige Struktur auf. Dies bewirkt, dass der Materialaufwand reduziert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die dünnwandige Struktur eine Hohlstruktur ist. Die Hohlstruktur der Elektrode verringert den Materialaufwand zusätzlich.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Elektrode Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen auf. Die Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen ermöglichen es, dass der Elektrolyt während der Elektropolitur durchgeströmt werden kann. Dabei kann der Elektrolyt in einem Kreislauf geführt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass beim Elektropolieren ein nicht leitender Abstandshalter eingesetzt wird, um die Elektrode gegenüber dem Bauteil auszurichten. Der Abstandshalter bewirkt, dass die Elektrode gegenüber dem Bauteil fixiert wird. Ferner bewirkt der Abstandshalter, dass das Bauteil und die Elektrode sich im gleichen Bauteil-Elektroden-Abstand befinden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vor dem Elektropolieren der zu elektropolierenden Oberfläche die Elektrode als Anode und das Bauteil als Kathode geschaltet, um die Elektrodenoberfläche zu glätten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen jeweils als vereinfachte Prinzipskizzen:
- 1 ein generativ gefertigtes Bauteil, in perspektivischer Schnittdarstellung;
- 2 das Bauteil nach 1 und eine Elektrode in einem Elektrolytbad, in Schnittdarstellung;
- 3a - 3d jeweils einen Schritt eines generativen Fertigens des in 2 gezeigten Bauteils und der ebenfalls in 2 gezeigten Elektrode, in Schnittdarstellung;
- 4a das Bauteil und eine noch im Bauteil befindliche Innenelektrode, in Schnittdarstellung;
- 4b das in 4a gezeigte Bauteil und die ebenfalls in 4a gezeigte aufzulösende Innenelektrode in einem Elektrolytbad, in Schnittdarstellung.
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Die 1 zeigt ein generativ gefertigtes Bauteil 10 aus einem Metall. Generativ gefertigte Bauteile weisen eine raue Oberfläche auf. Durch eine raue Oberfläche verringert sich die Ermüdungsfestigkeit, da grobe, raue Oberflächen als Rissausgang fungieren können.
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Um das generativ gefertigte Bauteil 10 zu glätten, wird das generativ gefertigte Bauteil 10 unter Verwendung einer Elektrode 20 elektropoliert, wie in 2 illustriert. Zum Elektropolieren wird das Bauteil 10 und die Elektrode 20 in einen Elektrolyt 42 getaucht, welcher sich in einem Behälter 50 befindet. Bauteil 10 und Elektrode 20 werden über eine Gleichstrom-Spannungsquelle 51 miteinander verbunden. Das Bauteil 10 wird dabei als Kathode und die Elektrode 20 als Anode geschaltet. Dadurch, dass das Bauteil 10 und die Elektrode 20 über den Elektrolyt 42 leitend miteinander verbunden sind, werden an der Kathode, also dem Bauteil 10, Metallionen gelöst. Bei dem Elektropolieren werden zunächst bevorzugt Metallionen aus den Rauigkeitsspitzen abgetragen. Das Bauteil 10 wird geglättet.
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Die 3a bis 3d illustrieren, dass das Bauteil 10 und die Elektrode 20 gleichzeitig generativ gefertigt werden, vor dem Schritt des Elektropolierens. Aufgrund des generativen Fertigens von Bauteil 10 und Elektrode 20 ist dies einfach zu bewerkstelligen. Die Form der Elektrode 20 kann auf einfache Art so gestaltet werden, dass sie der Form des Bauteils 10 folgt.
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Die 3a bis 3d illustrieren auch, dass das generative Fertigen ein Verfahren ist, bei dem das Bauteil 10 und die Elektrode 20 durch ein Aufschmelzen eines Metallpulvers 41 gebildet werden. In der 3a ist das Metallpulver 41 dargestellt. Auf die Darstellung des Metallpulvers 41 wurde in 3b, 3c und 3d der Einfachheit halber verzichtet. Das Metallpulver 41 und der verwendete Elektrolyt 42 stehen in einem funktionellen Zusammenhang. Dem Fachmann sind solche Kombinationen aus Fachliteratur bekannt. Das generative Fertigen ist ein Pulverbettverfahren. 3D-Drucker wenden häufig das Pulverbettverfahren an. Das Pulverbettverfahren ist ein selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting). In Abweichung zum dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Verfahren auch ein selektives Elektronenstrahlschmelzen (Electro Beam Melting) sein.
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In den 3a bis 3d ist dargestellt, wie über die Zeit hinweg das Bauteil 10 und die Elektrode 20 gleichzeitig generativ gefertigt werden. Dabei wird durch Aufschmelzen des Metallpulvers 41 sowohl die Elektrode 20 als auch das Bauteil 10 schichtweise gebildet. Nachdem eine Schicht des Metallpulvers 41 aufgeschmolzen wurde - und somit Bauteil 10 und/oder Elektrode 20 schichtweise entstehen - wird die nächste, darüber liegende Schicht aufgeschmolzen. Die 3a bis 3d stellen diesen schichtweisen Prozess in 4 Stadien schematisch dar. Ein Spalt zwischen dem Bauteil 10 und der Elektrode 20 wird durch Nichtaufschmelzen einer entsprechenden Schicht an Metallpulver 41 erreicht. Nach der Fertigung des Bauteils 10 und der Elektrode 20 wird das nicht aufgeschmolzene Metallpulver 41 entfernt.
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Zurückkommend auf 2, weist das Bauteil 10 eine zu elektropolierende Bauteiloberfläche 11 auf. Die Elektrode 20 weist eine zu der zu elektropolierenden Bauteiloberfläche 11 benachbarte Elektrodenoberfläche 24 auf. Die zu elektropolierende Bauteiloberfläche 11 und die benachbarte Elektrodenoberfläche 24 weisen einen gleichen Bauteil-Elektroden-Abstand a beim Elektropolieren auf. Der gleiche Bauteil-Elektroden-Abstand a zwischen der zu elektropolierenden Bauteiloberfläche 11 und der benachbarten Elektrodenoberfläche 24 führt zu einer konstanten Stromdichte. Durch die konstante Stromdichte während der Elektrolyse werden die Rauigkeitsspitzen gleichmäßig abgetragen und eine hohe Oberflächengüte als Ergebnis der Elektropolitur erreicht. Der Bauteil-Elektroden-Abstand a beträgt mehr als 1mm, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
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Das Bauteil 10 weist eine zu elektropolierende Bauteilaußenoberfläche 12 auf, die mit einer Elektrode 20 korrespondiert, die eine Außenelektrode 21 ist. Weiter weist das Bauteil 10 einen Bauteilhohlraum 14 mit einer zu elektropolierenden Bauteilinnenoberfläche 13 auf, die mit einer Elektrode 20 korrespondiert, die eine Innenelektrode 22 ist. Durch das gleichzeitige Fertigen von Bauteil 10 und Elektrode 20 folgt die Form der Elektrode 20 der des Bauteils 10 besonders genau. Dadurch wird die Bauteilinnenoberfläche 13 gleichmäßig elektropoliert.
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Der Begriff Elektrode umfasst folglich beispielsweise eine oder mehrere Außenelektroden und/oder Innenelektroden. Ferner kann eine Außenelektrode und/oder eine Innenelektrode jeweils eine Anordnung aus mehreren Teilelektroden 23 sein. Dies bewirkt, dass die Elektrode 20 leicht entfernt werden kann, wenn die Bauteilgeometrie komplex ist.
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Die Elektrode 20 weist eine dünnwandige Struktur auf, wobei die dünnwandige Struktur eine Hohlstruktur ist. Dies bewirkt, dass der Materialaufwand reduziert wird. Aus der zeichnerischen Darstellung geht die dünnwandige Hohlstruktur nicht hervor, da es sich um Prinzipskizzen handelt und dies die Zeichnung nur undeutlicher machen würde. Die Elektrode 20 weist Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen 25 auf. Die Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen 25 ermöglichen es, dass der Elektrolyt 42 während der Elektropolitur in einem Kreislauf durchgeströmt werden kann.
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Beim Elektropolieren werden Abstandshalter 30 eingesetzt, um die Elektrode 20 gegenüber dem Bauteil 10 auszurichten. Die Abstandshalter 30 müssen aus einem nichtleitenden Material bestehend, um einen Kurzschluss zwischen Bauteil 10 und Elektrode 20 zu verhindern. Die Abstandshalter 30 sind in der 2 nur prinziphaft an einem Beispiel dargestellt. Ohne Abstandshalter 30 würde die Elektrode 20 auf dem Bauteil 10 aufliegen und ein Elektropolieren könnte nicht stattfinden. Die Abstandshalter 30 sorgen dafür, dass der bei der Fertigung gleichmäßig geschaffene Bauteil-Elektroden-Abstand a eingehalten wird, indem Bauteil 10 und Elektrode 20 in diesem Abstand durch den Abstandshalter 30 fixiert werden.
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Vor dem Elektropolieren der zu elektropolierenden Oberfläche 11 wird die Elektrode 20 als Anode und das Bauteil 10 als Kathode geschaltet, um die Elektrodenoberfläche 24 zu glätten. Die Anordnung ist also die Gleiche wie in 2 beschrieben, jedoch ist die Gleichstrom-Spannungsquelle 51 entgegen der 2 mit vertauschten Polen angeschlossen. Die Glättung der Elektrodenoberfläche 24 bewirkt eine höhere Oberflächengüte beim Elektropolieren des Bauteils 10.
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In 4a ist das Bauteil 10 mit der Innenelektrode 22 dargestellt. Nach dem Schritt des Elektropolierens wurde die Außenelektrode 21 entfernt. Die Innenelektrode 22 kann aufgrund des Formschlusses bei einem komplexen Bauteilhohlraum 14 nicht einfach entnommen werden. Das Entfernen der Innenelektrode 22 funktioniert wie folgt dargestellt:
- Nach dem Elektropolieren der zu elektropolierenden Bauteiloberfläche 11 wird die Innenelektrode 22 als Anode und das Bauteil 10 als Kathode geschaltet, um die Innenelektrode 22 aufzulösen. In 4b ist dieser Vorgang prinziphaft dargestellt. Die
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Gleichstrom-Spannungsquelle 51 ist im Gegenteil zur 2 mit umgekehrter Polung dargestellt. Zusätzlich sind auch eine Pumpe 52, ein Elektrolyt-Reservoir 53 und ein Leitungssystem 54 für den Elektrolytkreislauf 43 schematisch dargestellt.
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Wie bereits erwähnt ist das Auflösen der Innenelektrode 22 notwendig, wenn das Bauteil einen komplexen Bauteilhohlraum 14 aufweist und die Innenelektrode 22 nicht entfernt werden kann. Dadurch, dass die Innenelektrode 22 als Anode und das Bauteil 10 als Kathode geschaltet wird, wird die Innenelektrode 22 elektropoliert und dadurch langsam aufgelöst, während das Bauteil 10 selbst kathodisch geschützt ist und nicht weiter abgetragen wird. Das Elektropolieren der Innenelektrode 22 wird solange fortgesetzt, bis diese völlig aufgelöst oder mechanisch entfernbar ist. Dabei weist die aufzulösende Innenelektrode 22 unterschiedliche Wanddicken auf. Durch geschickte Gestaltung der Wanddicken der Innenelektrode 22 wird deren Auflösung örtlich und zeitlich gesteuert. Sobald die Innenelektrode 22 ganz aufgelöst ist oder die Reste aus dem Bauteil entnommen werden können, ist der Prozess abgeschlossen. Die dünnwandige Struktur der Elektrode 30 bewirkt, dass sich die Elektrode 20 schneller auflöst. Während dieses Prozesses wird der Elektrolyt 42 über die Pumpe 52 und das Leitungssystem 54 kontinuierlich in einem Kreislauf durch aus Elektrolyt-Reservoir 53 geströmt. Auf Grund der Größe des Elektrolyt-Reservoirs 53 befindet sich dort eine große Menge des Elektrolyten 42, weswegen sich die Konzentration der Metallionen im Elektrolyt-Reservoir 53 nur unwesentlich erhöht. Zusätzlich wird bei dem Auflösen der Innenelektrode 22 ein gepulster Strom verwendet. Dadurch, dass der Elektrolyt 42 in einem Kreislauf geführt wird und der Strom gepulst wird, wird eine Anlagerung der Metallionen an der Anode verhindert. Dies führt dazu, dass bei der Auflösung der Innenelektrode 22 nicht wieder Metallionen am Bauteil 10 angelagert werden.
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Nachfolgend wird in zeitlicher Reihenfolge zusammenfassend das Verfahren zum Glätten eines generativ gefertigten Bauteils 10 aus einem Metall beschrieben:
- Zunächst wird ein Bauteil 10 und die Elektrode 20, wie in den 3a bis 3d dargestellt, generativ gefertigt. Anschließend entnimmt man das Bauteil 10 und die Elektrode 20 aus dem 3D-Drucker und entfernt das Metallpulver 41. Anschließend werden das Bauteil 10 und die Elektrode 20 mittels des Abstandshalters 30 im konstanten Bauteil-Elektroden-Abstand a fixiert und in einen Behälter 50 mit einem Elektrolyt 42 getaucht. Der Elektrolyt 42 wird durch die Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen 25 während des Prozesses über die Pumpe 52, das Leitungssystem 54 und dem Elektrolyt-Reservoir 53 in einem Elektrolyt-Kreislauf 43 geführt. Das Bauteil 10 und die Elektrode 20 werden mit einer Gleichstrom-Spannungsquelle 51 verbunden, wobei jedoch zunächst die Elektrode 20 als Anode und das Bauteil 10 als Kathode geschaltet wird, um die Elektrodenoberfläche 24 zu glätten. Anschließend wird nach Tauschen der Polung der Gleichstrom-Spannungsquelle 51, wie in 2 dargestellt, die Bauteiloberfläche 11 elektropoliert. Nach dem Elektropolieren wird die Außenelektrode 21 entfernt, wie in 4a zu sehen. Anschließend wird, wie in 4b dargestellt, die Innenelektrode 22, die nicht aus dem Bauteilhohlraum 14 zu entfernen ist, solange aufgelöst bis die Reste aus dem Bauteil 10 zu entnehmen sind oder sie sich vollständig aufgelöst hat. Hierzu gibt die Gleichspannungs-Stromquelle 51 während dem Auflösen der Elektrode einen gepulsten Strom ab.
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Nach der Entnahme des geglätteten Bauteils, ist der Vorgang abgeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 11
- (zu elektropolierende) Bauteiloberfläche
- 12
- Bauteilaußenoberfläche
- 13
- Bauteilinnenoberfläche
- 14
- Bauteilhohlraum
- 20
- Elektrode,
- 21
- Außenelektrode
- 22
- Innenelektrode
- 23
- Teilelektrode
- 24
- Elektrodenoberfläche
- 25
- Elektrolyt-Durchströmungsöffnungen
- 30
- Abstandshalter
- 41
- Metallpulver
- 42
- Elektrolyt
- 43
- Elektrolytkreislauf
- 50
- Behälter
- 51
- Gleichstrom-Spannungsquelle
- 52
- Pumpe
- 53
- Elektrolyt-Reservoir
- 54
- Leitungssystem
- a
- Bauteil-Elektroden-Abstand
