Oberflächenveredelung für CNC-bearbeitete Teile

Surface finishing is part of manufacturing, especially for CNC machined parts. It uses techniques specifically designed to modify the surface characteristics of a component to meet targeted functional, aesthetic, or performance-related needs. Surface finishing beautifies the part and enhances its performance characteristics, such as corrosion resistance, wear resistance, and overall surface finish quality by minimizing surface roughness.

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.

One common issue is tool marks—fine lines or grooves left by the cutting tool—which may affect both aesthetics and functionality. Left untreated, these raw tool marks may not be aesthetically desirable or functionally suitable. Techniques like polishing or secondary finishing can effectively address them.

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 effectively improves the corrosion protection, mechanical properties, and appearance of products, especially in aluminum CNC machining. This procedure involves forming a robust and rust-proof oxide film on the surface of the metal. Anodizing forms an oxide layer, forming a coating around the metal. Not only does this improve the metal’s characteristics, but it also contributes to the aesthetic value of the final product.

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: After cleaning, technicians put the part in an electrolyte bath, often acidic, sulfuric, or chromic acid. This bath creates an electrolytic process, resulting in the formation of the oxide layer. In this process, the part itself forms the anode of the system. The cathode, typically made of aluminum or lead, is positioned opposite the anode.
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

Chromic Acid Anodizing (Type I )

It uses Chromic acid as the electrolyte and forms a thin and smooth anodic layer. However, it has a lower abrasion resistance than the other coatings. It is most applicable in aerospace parts where the fundamental properties required are fatigue strength and high corrosion resistance.

Sulfuric Acid Anodizing (Type 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.

Hard Anodizing using Sulfuric Acid at Lower Temperatures (Type III )

Comparable to Type II but at cooler temperatures and higher voltages. According to strict industry specifications like ASTM B580 Type A, this hard anodic coating typically ranges from 50 to 100 microns in thickness ^[1]. Furthermore, this dense ceramic layer achieves an exceptional microhardness equivalent to 60 to 70 HRC. This extraordinary hardness provides extreme abrasion resistance for heavily loaded moving parts.

Appropriate for demanding roles such as aerospace goods, military products, and industrial equipment. These applications require maximum durability of the surface or the whole device. Possible applications include pistons, gears, and other moving parts.

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. Controlled Surface Finishing: 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

This specific blasting method employs spherical glass beads to create a uniform matte or satin finish. Unlike highly angular abrasive grit, these spherical particles impact the metal surface to create a microscopic peening effect rather than a cutting action ^[3]. This unique impact mechanism ensures that the precision CNC machined tolerances remain completely unaltered during the surface cleaning process. It is frequently helpful in household appliances, cars’ interiors and externals, furniture, light industry products, and other parts. In these applications, a smooth and beautiful look is essential.

Aluminium-Oxid-Strahlen

This method employs highly angular and aggressive aluminum oxide grit. Because this abrasive media is significantly harder and sharper, aluminum oxide significantly removes more material. Due to their hardness, aluminum oxide significantly removes more material from the surface than glass beads. It is useful where a slightly rougher surface or more excellent material removal is necessary.

Kunststoff-Perlstrahlen

It employs plastic beads as the abrasive media, thus minimizing the rigorous treatment of the parts. Because plastic media is significantly softer than metal, it safely removes coatings and contaminants without altering or cutting into the underlying base material. The process offers a fine surface finish without adversely affecting the strength of the particular part. Plastic bead blasting is a suitable option for cleaning softer metals or delicate parts, often used in Automobilteilefertigung und Herstellung von Luft- und Raumfahrtkomponenten.

Siliziumkarbid-Strahlen

One of the most aggressive techniques involves using silicon carbide particles. Silicon carbide ranks among the hardest synthetic abrasive materials available in the manufacturing industry. Possessing a remarkable Mohs hardness ranging from 9.0 to 9.5, it aggressively cuts into extremely rigid metal surfaces ^[4]. Due to this extreme hardness, it rapidly removes deep tool marks and creates a highly textured profile ideal for subsequent heavy-duty coating adhesion. Some applications include cleaning turbine blades, castings, high-intensity parts, and many others that require a robust surface before further treatment.

Elektropolieren

Electropolishing is a highly precise electrochemical process that dissolves a microscopic layer of material from the surface of metal parts. This technique is the opposite of electroplating and is more akin to dissolving, polishing, and smoothing. Electropolishing has main applications in iron-chromium, aluminum, titanium, and nickel alloys. Therefore, it is helpful for sectors that need high cleanliness and surface purity levels, like the food industry, medical equipment, and pharmaceuticals.

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: The electropolishing process precisely strips off a microscopic layer of base material, typically ranging from 0.0025 mm to 0.025 mm in depth. This electrochemical dissolution preferentially targets microscopic surface peaks over valleys. Consequently, the process can systematically reduce the overall surface roughness average (Ra) by up to 50 percent while simultaneously passivating the metal ^[2]. The final surface finish appears remarkably superior and highly refined compared to standard mechanical polishing.
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

The best surface finish for the CNC machined parts depends on features such as the type of material used, the application requirement, and the part’s working conditions. The most crucial decision is selecting the surface finishes as they regulate the performance, endurance, and, finally, the price of the part. All the materials under discussion react differently towards specific finishing procedures, and procedures such as anodizing are usually standard on aluminum. Likewise, it is necessary to consider the function of the part under discussion. For example, if extreme wear resistance is required, aluminum components should undergo hard anodizing (Type III).

On the other hand, electropolishing could benefit parts in incredibly sterile environments. Environmental exposure is also an essential factor, especially for those parts in corrosive environments, high or low temperatures, or chemicals. Aesthetics also affect the choice, mainly where industries such as customer electronics and automotive sectors, among others, use techniques such as polishing and anodizing. Budget considerations are essential in surface finish selection, directly impacting overall Kosten für CNC-Bearbeitung, as more protective and visually appealing options often come at a higher cost. In this case, it is highly requisite to consider the performance requirements against the costs to make the right decision.

Tips: If you would like to learn more about the full range of surface finishing processes, click “Weitere Verfahren der Oberflächenveredelung” to continue.

Schlussfolgerung

Surface finishing is an essential component of overall manufacturing within any professional machine shop when dealing with CNC machined parts, bearing a tight influence over functionality and appearance factors.

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.

Referenz

[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) Standard Specification for Anodic Oxide Coatings on Aluminum. https://doi.org/10.1520/B0580-79R19

[2] ASTM International. (2018). ASTM B912-02(2018) Standard Specification for Passivation of Stainless Steels Using Electropolishing. https://doi.org/10.1520/B0912-02R18

[3] Dong, H. (Ed.). (2010). Surface Engineering of Light Alloys: Aluminium, Magnesium and Titanium Alloys. Woodhead Publishing (Elsevier). https://doi.org/10.1533/9781845699451

[4] Tretyakov, Y. D. (2007). Handbook of Ceramic Hard Materials. Wiley-VCH. https://doi.org/10.1002/9783527618217