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Qualitätssicherung im 3D-Druck Auf der Suche nach Qualität

Autor: Simone Käfer

Um den Nutzen der Additiven Fertigung für die eigene Produktion und ihren Einfluss auf Fertigungsprozesse abzuschätzen, ist der Faktor Qualitätssicherung entscheidend. Doch Normungsausschüsse stehen vor der Frage, wo sie beginnen sollen.

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Qualitätssicherung ist in der Additiven Fertigung noch ein Fass ohne Boden.
Qualitätssicherung ist in der Additiven Fertigung noch ein Fass ohne Boden.
(Bild: ©_nastassia - stock.adobe.com)
  • Gänge Prüfverfahren sind für die Additive Fertigung ungeeignet, denn sie erkennen die Fehler nicht.
  • Vor allem Materialmischungen sind schwer auf ihre Qualität hin zu beurteilen.
  • Additive Fertigung heißt Reproduzierbarkeit. Doch daran hapert es.
  • Eine kleine Auswahl an Lösungen, die den Druckvorgang in Echtzeit überprüfen.

Man kann einem 3D-gedruckten Bauteil einfach nicht ansehen, ob es den Qualitätsansprüchen genügt. Bestellt man es bei einem Dienstleister, liegt die Prozessüberwachung nicht in der eigenen Hand und bietet somit keine Sicherheit. Was tun? Eine Möglichkeit wäre, sich Bauteile für mehrere Hundert Euro fertigen zu lassen und diese dann zu zerschneiden. Eine solche Einzelteilprüfung ist ein teurer Spaß und garantiert keine stabile Qualität. Besagter Kunde hat die Teile trotzdem vom Dienstleister gekauft. Am Ende zählte wohl das Vertrauen auf die lange Zusammenarbeit.

Aber woher kommt diese Vorsicht gegenüber additiv gefertigten Bauteilen? Auf der einen Seite sind die Verfahren der Additiven Fertigung noch sehr jung und einer permanenten Entwicklung ausgesetzt. Neue Verfahren schießen wie Pilze aus dem Boden. Niemand, auch kein Auftragsfertiger, hat hier das Know-how, wie es beispielsweise in Schmiedeprozessen vorhanden ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die neuen Prozesse neue Fehler mit sich bringen. So berichtete Thomas Dautl, Leiter Fertigungstechnik bei MTU Aero Engines, im März beim „Forum 3D-Druck und Recht“, dass bei ihnen manche Fehler nur alle drei Monate auftauchen würden. Er geht sogar davon aus, dass die meisten Fehler noch gar nicht bekannt sind.

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Der andere Punkt ist die Herkunft der Additiven Fertigung. Ihre Wurzel ist das Rapid Prototyping, dessen Produkte nur für einen kurzen Moment von Bedeutung sind. Ihre Haltbarkeit beschränkt sich auf Wochen und Monate, nicht auf Jahre. Auch der Faktor Belastung spielt bei Prototypen nur eine begrenzte Rolle, Verformungen oder gar Brüche sind lediglich zu Anfang ärgerlich, später interessiert sich niemand mehr dafür. Doch ein additiv gefertigtes Bauteil muss hohen Belastungen standhalten können wie mechanischen Bewegungen, Vibrationen oder Temperaturen. Besonders wenn der gedruckte Gegenstand Teil eines Personenflugzeuges oder Kraftwagens ist; denn auch in dieser Technik zählen die beiden Branchen Luftfahrt und Automotive zu den Vorreitern.

Ein wichtiger Faktor für die Haltbarkeit der Bauteile liegt im Material. Hier geschieht viel zurzeit, sowohl bei Kunststoff als auch bei metallischen Werkstoffen. Davon profitiert natürlich auch der Proto­typenbau, denn die Haltbarkeit eines Prototyps hat in den letzten Jahren rasant zugenommen. Die Unterschiede zu einem Bauteil verringern sich zunehmend.

Standard-Prüfverfahren sind ungeeignet

Es fehlt also an Erfahrung und die vorhandene Erfahrung mit 3D-gedruckten Teilen beschränkt sich oftmals auf ungenügende Qualität für den Einsatz im Maschinenalltag. Eine Unsicherheit seitens der Anwender bezüglich der qualitativen Reife der Additiven Fertigung ist also verständlich. Renishaw will diese Unsicherheit mit seinen Solution Centern bekämpfen. Dabei handelt es sich um Räume, in denen Anwender den Fertigungsprozess an Renishaw-Druckern testen können. Wer dann immer noch Bedenken bezüglich der Qualität hat, den überzeugt das Unternehmen vielleicht mit seiner Messtechnik. Doch vertraut man auf die Erfahrung von Dautl, hilft einem auch die beste Standard-Messtechnik in der Additiven Fertigung nicht weiter. Bei MTU habe man es mit klassischer Oberflächenprüfung, Ultraschall, Röntgen und CT versucht, doch keine Variante war geeignet, immer seien Fehler durchgerutscht. Mit CT, erklärte Dautl im März, blieben 40 % der Fehler unentdeckt.

Häufigster Fehler ist laut Dautl ein Bindefehler, der entsteht, wenn die Energie des Lasers nicht ausreicht, um zwei Schichten miteinander zu verschweißen. Solche Fehler können bis 400 µm groß sein. Hier versagt die Prüfung mit CT, weil ein Bindefehler durchaus nur zweidimensional sein kann, also die Ausdehnung auf der Z-Achse fehlt.

Das Unternehmen Leichtbau Systemtechnologien Korropol fertigt Kunststoffteile per FDM-Technik. Dabei ist ein typischer Fehler der Verzug des Bauteils schon während des Drucks. Zur Qualitätskontrolle bietet das Unternehmen in seiner Hybridfertigungszelle eine optische Überwachung der Bauteiloberfläche an. Wird der Bauteilverzug erst nach dem Druckprozess erkannt, soll das in die Hybridmaschine integrierte Fräsverfahren korrigierend nacharbeiten. Ein Eingreifen in den Bauprozess sei auch möglich, wenn die Messung online eingesetzt wird. Da der Bauteilverzug eine Folge von Temperaturschwankungen ist, lassen sich Korrekturen im Prozess nur dadurch vornehmen, dass die Wärmequelle verändert wird. Sinnvollerweise arbeiten einige Hersteller von 3D-Druckanlagen sowie Softwarehäuser bereits an Lösungen. Eine davon will EOS seinen Kunden anbieten: EOSame soll den beziehungsweise die Laser so regulieren, dass die Bauplattform gleichmäßig erhitzt wird. Standard ist derzeit eine unregelmäßige Wärmeverteilung, die Plattform ist am Rand ein wenig kühler. Das kann ein Grund für verzogene Bauteile sein.

Das Problem mit dem Material

Das Augenmerk darauf zu legen, den Bauprozess zu überprüfen und zu regulieren, ist ein wichtiger Punkt. Denn Qualitätssicherung bedeutet nicht, ein Endprodukt zu testen, sondern eine Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Das wiederum heißt, man muss den Prozess beherrschen. Aber was genau gehört zum Prozess in der Additiven Fertigung? Diese Frage stellt man sich auch in den Normungsausschüssen. Dass der Werkstoff in der Additiven Fertigung eine entscheidende Rolle für die Qualität des Endprodukts spielt, ist sicher. Aber an welche Parameter man für eine Qualitätssicherung anknüpfen soll, dass sei noch nicht geklärt, berichtete Jens Groffmann, Innovationsmanager Additive Fertigung beim TÜV Nord, im März bei „Forum 3D-Druck und Recht“. Altpulver, das während des Druckprozesses in einem Pulverbett­verfahren nicht genutzt wurde, kann durchaus wiederverwertet werden. Doch wer garantiert hier die Qualität des Materials? Der springende Punkt ist die richtige Aufbereitung des Pulvers, dazu zählt, dass eine Kontamination verhindert wird und Mitarbeiter vor möglichen gesundheitsgefährdenden Feinpartikeln bewahrt bleiben.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung und Werkstoffe