Oberflächenveredelung für CNC-bearbeitete Teile

Die Oberflächenbearbeitung ist ein Teil der Fertigung, insbesondere bei CNC-gefertigten Teilen. Dabei werden Techniken angewandt, die speziell darauf ausgerichtet sind, die Oberflächeneigenschaften eines Bauteils zu verändern, um bestimmte funktionale, ästhetische oder leistungsbezogene Anforderungen zu erfüllen. Die Oberflächenveredelung verschönert das Teil und erhöht seine Leistungsmerkmale, wie Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Oberflächenrauheit.

Was ist Oberflächenveredelung?

Die Oberflächenveredelung ist das Verfahren, mit dem die Oberfläche eines bearbeiteten Teils hinsichtlich Beschaffenheit, Aussehen und Funktionalität verändert wird. Je nach dem benötigten Teil kann die Oberflächenbehandlung mechanisch, chemisch oder elektrochemisch erfolgen.

CNC-Bearbeitung führt zu einer hohen Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Werkstücks. Die Bauteile können jedoch Merkmale auf ihrer Oberfläche aufweisen, die sowohl die Form als auch die Oberfläche beeinflussen.

Ein häufiges Problem sind Werkzeugspuren - feine Linien oder Rillen, die das Schneidwerkzeug hinterlässt -, die sowohl die Ästhetik als auch die Funktionalität beeinträchtigen können. Techniken wie das Polieren oder die Nachbearbeitung können helfen, diese Spuren zu beseitigen. Sie sind möglicherweise weder ästhetisch wünschenswert noch funktionell geeignet.

Bearbeitungsmerkmale wie Grate, erhabene Kanten, Partikel oder kleine Grate, die sich an den Rändern der Merkmale bilden, erfordern Entgratungsarbeiten.

Geringfügige Spuren in Form von Kratzern auf der Oberfläche, die durch den Bearbeitungsprozess, die Handhabung oder den Transport entstehen können, sind aus ästhetischer Sicht unerwünscht. Sie können später eine Quelle für weitere mechanische Schwierigkeiten sein.

Gängige Techniken der Oberflächenbearbeitung für CNC-gefräste Teile

Die Oberflächenbearbeitung spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Qualität und Leistung von CNC-gefertigten Teilen. Im Folgenden werden einige in verschiedenen Branchen übliche Nachbearbeitungsverfahren vorgestellt.

Eloxieren

Eloxieren verbessert wirksam den Korrosionsschutz, die mechanischen Eigenschaften und das Aussehen von Produkten, insbesondere von Aluminium. Bei diesem Verfahren wird eine robuste und rostfreie Oxidschicht auf der Oberfläche des Metalls gebildet. Beim Eloxieren bildet sich eine Oxidschicht, die das Metall umhüllt. Dies verbessert nicht nur die Eigenschaften des Metalls, sondern trägt auch zum ästhetischen Wert des Endprodukts bei.

Prozess

1. Vorbereitung der Oberfläche: Die Reinigung der Teile erfolgt vor dem Eloxalverfahren. Durch gründliche Reinigung werden Öle und Schmutz entfernt. Die Bediener können mechanische oder chemische Vorbehandlungstechniken wie Polieren oder Ätzen anwenden.
2. Eintauchen in Elektrolytlösung: Nach der Reinigung legen die Techniker das Teil in ein Elektrolytbad, das oft sauer, schwefel- oder chromsäurehaltig ist. In diesem Bad findet ein elektrolytischer Prozess statt, der zur Bildung einer Oxidschicht führt. Bei diesem Prozess bildet das Teil selbst die Anode des Systems. Die Kathode besteht aus Aluminium oder Blei, das der Anode direkt gegenüberliegt.
3. Anwendung von elektrischem Strom: Die Techniker leiten Gleichstrom (DC) durch das Teil und die Kathode, und am Teil findet ein elektrochemischer Prozess statt. Ionen aus dem Elektrolyt reagieren mit den Aluminiumatomen auf der Oberfläche des Teils und erzeugen Aluminiumoxid (Al₂O₃). Diese Oxidschicht ist zunächst porös und erleichtert die anschließende Behandlung des Gewebes, z. B. das Färben.
4. Färben und Versiegeln: Die Eloxalschicht lässt Farbstoffe eindringen, so dass sich das Teil leicht einfärben lässt. Organische oder anorganische Farbstoffe dringen in die Poren ein. Das Versiegeln ist das letzte Verfahren, um den Korrosionsschutz zu erhöhen und das Verblassen der Farbe zu verhindern. Dabei wird das Teil auf einen Siedepunkt gebracht, wodurch das Aluminiumoxid hydratisiert und alle Poren verschließt. Andere Versiegelungsarten umfassen Chemikalien wie Nickelacetat, um die Oberfläche weiter zu schützen.

Arten der Eloxierung

Chromsäure-Eloxieren (Typ I )

Sie verwendet Chromsäure als Elektrolyt und bildet eine dünne und glatte Eloxalschicht. Sie hat jedoch eine geringere Abriebfestigkeit als die anderen Beschichtungen. Sie eignet sich vor allem für Teile in der Luft- und Raumfahrt, bei denen Ermüdungsfestigkeit und hohe Korrosionsbeständigkeit die wichtigsten Eigenschaften sind. 

Schwefelsäure-Eloxieren (Typ II)

Dieses Verfahren ist mit einer Schwefelsäurelösung als Elektrolyt bekannt. Die Teile sind bei diesem Verfahren dicker als beim Chromsäure-Eloxieren. Typ II Eloxieren ist günstig für die Färbung der Oberfläche und eignet sich für ästhetische Zwecke. Es ist für die meisten Kleingeräte, Autozubehör und Gebäude bekannt, bei denen Aussehen, mäßige Rostbeständigkeit und Festigkeit erwünscht sind.

Hartanodisieren mit Schwefelsäure bei niedrigeren Temperaturen (Typ III )

Vergleichbar mit Typ II, jedoch bei kühleren Temperaturen und höheren Spannungen. Er erzeugt eine wesentlich dichtere und festere Oxidschicht. Sie ist bekannt für ihre hohe Abriebfestigkeit in Verbindung mit hohen Härteeigenschaften. Die anodische Schicht ist dicker, bis zu 100 Mikrometer dick, und hat verbesserte Verschleiß- und Korrosionseigenschaften. Sie eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen wie Luft- und Raumfahrtprodukte, militärische Produkte und Industrieanlagen. Diese Anwendungen erfordern eine maximale Beständigkeit der Oberfläche oder des gesamten Geräts. Mögliche Anwendungen sind Kolben, Zahnräder und andere bewegliche Teile.

Perlstrahlen

Perlstrahlen ist eine weitere Methode der Oberflächenbearbeitung, bei der Glasperlen auf Oxidbasis unter hohem Druck auf die Oberfläche eines Materials geschleudert werden. Durch die Anpassung des Verfahrens lassen sich mit Hilfe des Strahlmittels glatte und raue Oberflächen erzielen. Es wird häufig zur Verschönerung, Oberflächenvorbereitung oder zum Abtragen von Oberflächenverunreinigungen wie Rost oder Farbe eingesetzt.

Prozess

1. Vorbereitung der Oberfläche: Sie müssen gewaschen werden, um Ölreste oder andere leicht ablösbare Verunreinigungen zu entfernen.
2. Einrichtung der Strahlkabine oder Maschine: Die Techniker positionieren das Teil in einer Strahlkabine oder in einer Maschinenhalterung. Die Kabine ist ein geschlossener Raum, in dem gestrahlt wird, und das Strahlmittel fliegt nicht weg.
3. Druckluft und Scheuermittel: Die Bediener verwenden Druckluft, um das abrasive Material, meist Glasperlen, gegen die Oberfläche des Teils zu schleudern. Der Grad der Oberflächenbehandlung hängt vom Luftdruck und von der Art des verwendeten Materials ab.
4. IVGesteuerte Oberflächenveredelung: Der Bediener kann die Höhe des Drucks, die Nähe der Oberfläche, auf die das Medium aufgetragen wird, und den Winkel der Anwendung des Mediums bestimmen. Dies ist für eine vollständige Kontrolle des Ergebnisses erforderlich. Das Perlstrahlen eignet sich für die Bearbeitung verschiedener Teile auf unterschiedliche Weise, je nach Bedarf.
5. Reinigung nach dem Strahlen: Die Bediener waschen das Teil nach dem Strahlen, um das Strahlmittel oder den Staub zu entfernen, der sich darauf befindet. Dies trägt dazu bei, Störungen durch Verunreinigungen durch andere Elemente zu vermeiden, bevor das Teil Arbeitsgängen wie Beschichtung oder Montage unterzogen wird.

Arten des Perlstrahlens

Glasperlenstrahlen

Bei diesem Strahlen werden kugelförmige Glasperlen als Strahlmittel verwendet. Die resultierende Oberfläche ist vergleichsweise glatt und gleichmäßig. Diese Strahlmethode eignet sich besser für die Herstellung einer matten oder satinierten Oberfläche auf dem Teil. Die Glasperlen sind weniger abrasiv als andere bekannte Strahlmittel. Es wird nur wenig Material abgetragen, so dass es zum Polieren oder zur Oberflächenreinigung und zum Waschen der Oberfläche geeignet ist. Es wird häufig bei Haushaltsgeräten, der Innen- und Außenausstattung von Autos, Möbeln, Produkten der Leichtindustrie und anderen Teilen eingesetzt. Bei diesen Anwendungen kommt es auf ein glattes und schönes Aussehen an.

Aluminium-Oxid-Strahlen

Verwenden Sie ein komplexeres und umfangreicheres Aluminiumoxid. Diese Materialien sind starrer und kleiner als das Premium-Korn. Aufgrund ihrer Härte trägt Aluminiumoxid deutlich mehr Material von der Oberfläche ab als Glasperlen. Es ist nützlich, wenn eine etwas rauere Oberfläche oder ein besserer Materialabtrag erforderlich ist.

Kunststoff-Perlstrahlen

Es verwendet Kunststoffkugeln als Schleifmittel und minimiert so die harte Behandlung der Teile. Dank der dünnen Kunststoffschalen schneiden sie nur wenig in das Metall ein. Das Verfahren bietet ein feines Oberflächenfinish, ohne die Festigkeit des jeweiligen Teils zu beeinträchtigen. Kunststoffperlenstrahlen ist eine geeignete Option für die Reinigung weicherer Metalle oder empfindlicher Teile und wird häufig eingesetzt in Automobilteilefertigung und Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten.

Siliziumkarbid-Strahlen

Eine der aggressivsten Techniken ist die Verwendung von Siliziumkarbidpartikeln. Siliziumkarbid gehört zu den härtesten Materialien, die in der Familie der Schleifmittel verwendet werden. Es eignet sich gut für starres Material und aggressiven Abtrag. Es führt zu einer unregelmäßigeren Oberfläche und eignet sich für Situationen, in denen man das Teil festhalten oder einklemmen möchte. Einige Anwendungen umfassen die Reinigung von Turbinenschaufeln, Gussteilen, Teilen mit hoher Intensität und viele andere, die eine robuste Oberfläche vor der weiteren Behandlung erfordern.

Elektropolieren

Elektropolieren ist ein präzises elektrochemisches Verfahren, bei dem etwas Material von der Oberfläche von Metallteilen abgelöst wird. Diese Technik ist das Gegenteil des Galvanisierens und ähnelt eher dem Auflösen, Polieren und Glätten. Elektropolieren wird vor allem bei Eisen-Chrom-, Aluminium-, Titan- und Nickellegierungen eingesetzt. Es eignet sich daher für Branchen, die einen hohen Grad an Sauberkeit und Oberflächenreinheit benötigen, wie die Lebensmittelindustrie, medizinische Geräte und Arzneimittel.

Prozess

1. Vorbereitung der Oberfläche: Vor dem Elektropolieren erfolgt eine Reinigung der Metallteile zur Entfettung. Durch die Reinigung werden alle Stoffe entfernt, die den elektrochemischen Prozess behindern könnten.
2. Eintauchen in ein elektrolytisches Bad: Die Bediener tauchen das Metallteil in ein Elektrolytbad. Das Bad besteht aus einer sauren Lösung, häufig einer Schwefelsäure- und Phosphorsäurelösung. Im elektrochemischen Teil des Systems fungiert das ‘Teil’ als Anode, während die Kathode aus einem inerten Material wie rostfreiem Stahl oder Blei besteht.
3. Anwendung von elektrischem Strom: Die Bediener legen einen elektrischen Strom zwischen der Anode und der Kathode des Teils an. Der Strom bewirkt, dass sich die Oxidationsschicht des Werkstücks in einer wässrigen Lösung auflöst. Der Materialabtrag nimmt bei den gekrümmten Spitzen an der Kathodenoberfläche rasch zu und nicht bei den gekrümmten Tälern. Dieser selektive Abtrag trägt zur Abflachung der Oberfläche bei, so dass das Teil poliert werden kann und eine glatte Oberfläche erhält.
4. Materialauflösung: Beim Elektropolieren wird eine dünne, präzise Materialschicht abgetragen (in der Regel im Bereich von 0,001 bis 02 mm). Sie sammeln sich auf dem Elektrolyten an, bis die richtige Oberflächengüte erreicht ist. Das endgültige Oberflächenfinish erscheint besser und feiner als bei anderen mechanischen Polierverfahren.
5. Glätten und Polieren von Oberflächen: Das Elektropolieren hinterlässt eine glatte, glänzende und ‘helle’ Oberfläche im Vergleich zu ihrem ursprünglichen Zustand. Zusätzlich zu seinem ästhetischen Aspekt minimiert es die Rauheit auf mikroskopischer Ebene und trägt dazu bei, die Korrosionsgefahr zu verringern.
6. Reinigung und Inspektion nach dem Polieren: Nach der Elektropolierbehandlung wird das oberflächenbehandelte Teil mit Wasser gewaschen, um die Elektrolytlösung zu entfernen. Durch die Kontrolle des oberflächenveredelten Teils wird sichergestellt, dass das geeignete Material entfernt wurde.

Vergleich von Oberflächenbearbeitungsmethoden

Die beste Oberflächenbeschaffenheit für die CNC-gefertigten Teile hängt von Merkmalen wie der Art des verwendeten Materials, den Anwendungsanforderungen und den Arbeitsbedingungen des Teils ab. Die wichtigste Entscheidung ist die Auswahl der Oberflächenbeschaffenheit, da sie die Leistung, die Lebensdauer und schließlich den Preis des Teils bestimmt. Alle in Frage kommenden Werkstoffe reagieren unterschiedlich auf bestimmte Veredelungsverfahren, wobei Verfahren wie das Eloxieren bei Aluminium in der Regel Standard sind. Ebenso ist es notwendig, die Funktion des zu behandelnden Teils zu berücksichtigen. Wenn es beispielsweise um die tatsächliche Verschleißfestigkeit geht, sollten die Bauteile zäh eloxiert werden.

Andererseits könnte das Elektropolieren für Teile in äußerst sterilen Umgebungen von Vorteil sein. Auch die Umwelteinflüsse sind ein wichtiger Faktor, insbesondere für Teile, die korrosiven Umgebungen, hohen oder niedrigen Temperaturen oder Chemikalien ausgesetzt sind. Auch die Ästhetik spielt eine Rolle, vor allem in Branchen wie der Kundenelektronik und dem Automobilsektor, wo Techniken wie Polieren und Eloxieren eingesetzt werden. Budgetüberlegungen sind bei der Auswahl der Oberflächenbeschichtung von entscheidender Bedeutung, da schützende und optisch ansprechendere Optionen oft mit höheren Kosten verbunden sind. In diesem Fall ist es unbedingt erforderlich, die Leistungsanforderungen gegen die Kosten abzuwägen, um die richtige Entscheidung zu treffen.

Tipps: Wenn Sie mehr über das gesamte Spektrum der Oberflächenveredelung erfahren möchten, klicken Sie auf “Weitere Verfahren der Oberflächenveredelung”, um fortzufahren.

Schlussfolgerung

Die Oberflächenveredelung ist bei CNC-gefrästen Teilen ein wesentlicher Bestandteil der gesamten Fertigung und hat einen großen Einfluss auf die Funktionalität und das Erscheinungsbild der Teile.

Eloxieren, Perlstrahlen und Elektropolieren verbessern Eigenschaften wie Korrosion, Verschleißfestigkeit und Oberflächengüte und verleihen den Bauteilen ein ästhetisches Aussehen.

Jede Nachbearbeitungsmethode ist auf die Anforderungen oder Bedenken im Zusammenhang mit dem Material und dem Verwendungszweck des Teils ausgerichtet. Die Wahl der richtigen Oberflächenbearbeitungsmethode ist entscheidend für die Effizienz und Haltbarkeit der CNC-gefertigten Teile.

Andere Attribute, einschließlich exogener Bedingungen, beeinflussen diesen Entscheidungsprozess aufgrund der Anforderungen an die Produktleistung. Die Produktionskosten sind ein weiterer wesentlicher Faktor.

Die Kenntnis der Besonderheiten einer bestimmten Oberflächenveredelungsmethode ist entscheidend, um die richtige Wahl für ihre individuellen Bedürfnisse auf der Grundlage von Funktionalität, Kosten und Ästhetik für ihre spezifischen Produkte zu treffen.