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Werkstoffwoche 2017 Qualität bei der Additiven Fertigung sicherstellen

| Autor: Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Hohe Präzision und Flexibilität, Ressourceneffizienz, Wirtschaftlich­keit und geringes Nacharbeiten sind Kennzeichen der Additiven Fertigung. Dabei spielt die verlässliche und nachvollziehbare Qualität zunehmend eine wichtige Rolle.

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„Die größte Herausforderung der Qualitätssicherung wird darin bestehen, die heute etablierten statistischen Qualitätsmerkmale in die Additive Fertigung zu überführen. Somit wird ein Umdenken nötig“, erklärt Tobias Kastner, Entwicklungsingenieur bei der Leichtbau Systemtechnologien Korropol GmbH (links), hier im Gespräch mit Korropol-Geschäftsführer Sammy Techritz.
„Die größte Herausforderung der Qualitätssicherung wird darin bestehen, die heute etablierten statistischen Qualitätsmerkmale in die Additive Fertigung zu überführen. Somit wird ein Umdenken nötig“, erklärt Tobias Kastner, Entwicklungsingenieur bei der Leichtbau Systemtechnologien Korropol GmbH (links), hier im Gespräch mit Korropol-Geschäftsführer Sammy Techritz.
(Bild: Korropol)

Additive Verfahren bringen werkzeuglos den geeigneten Werkstoff an die richtige Stelle – punktgenau und höchst effizient. Das ist ein Grund für das Interesse am Einsatz der generativen Fertigung. In den verschiedensten Bereichen der Industrie gibt es Lösungen und Lösungsansätze für unterschiedliche Technologien, mit denen dies realisiert werden kann. Doch zur wirtschaftlichen und serientauglichen Prozessreife reicht es bei den bekannten Verfahren meist nicht.

Das Konsortium „Agent-3D – Additiv Generative Fertigung“ ist ein industriegetriebenes, überregionales und interdisziplinäres Netzwerk, welches die Thematik vorantreiben will. Ziel der über 120 am Projekt beteiligten Partner ist es, gemeinsam die wesentlichen Hemmnisse für einen weitverbreiteten Einsatz der additiv-generativen Fertigung zu beseitigen.

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Sicherstellen der Qualität über die gesamte Prozesskette

„Die Additive Fertigung ermöglicht es, kleine Losgrößen zu generieren. Um den Aufwand von zusätzlich herzustellenden Prüfteilen zu vermeiden oder zu verringern, muss die Strategie der First-time-right-Ansatz sein. Dabei spielt die Qualitätssicherung über die gesamte Prozesskette, vom Pulver über den Fertigungsprozess, etwaige Nachbehandlungs- und Nachbearbeitungsschritte, eine zentrale Rolle”, sagt Prof. Christoph Leyens, Direktor am Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden und Mitglied der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS.

Leyens, der das Netzwerk Agent 3D koordiniert, beschreibt die Techniken und Verfahren, mit denen die Qualität sichergestellt werden kann und sollte: „Qualitätssicherung findet über die gesamte Prozesskette hinweg statt: Pulver werden zum Beispiel einer genauen Eingangsprüfung hinsichtlich chemischer Zusammensetzung, Verunreinigungen oder Riesel­fähigkeit unterzogen. Beim eigentlichen Fertigungsprozess werden die relevanten Maschinendaten, wie die Laserleistung, Förderrate des Pulvers oder Scangeschwindigkeit, überwacht. Wenn möglich werden die Prozessparameter auch online verwendet, so etwa zur Steuerung von Schmelzbadgröße oder Temperatur. Am Ende untersuchen wir die Bauteile im Mess- und Prüfzentrum für Additive Fertigung am Fraunhofer IWS Dresden zum Beispiel mittels Computertomografie auf Fehler wie Risse oder Poren.“

Betrachtungen unterschiedlicher Materialien

Neben unterschiedlichen Sinterverfahren hat Fused Deposition Modeling (FDM) einen festen Platz in der Additiven Fertigung. Die Leichtbau Systemtechnologien Korropol GmbH aus Dresden setzt in einem vom BMBF geförderten Forschungsprojekt eine integrierte FDM-Fräs-Hybridfertigungszelle zur effizienten Herstellung großformatiger Formwerkzeuge für die Composite-Verarbeitung ein. Wie wichtig auch hier das Thema Qualität ist, beschreibt Tobias Kastner, Entwicklungsingenieur bei Korropol: „Das kritischste am FDM-Verfahren ist der durch das Material und die Umgebungsbedingungen induzierte Verzug. Dieser beeinflusst maßgeblich die Reproduzierbarkeit des Prozesses. Zweite signifikante Fehlerquelle ist die Materialanhaftung der Einzelschichten in z-Richtung. Durch das Auftragen der schmelzflüssigen Raupe auf die abgekühlte zu druckende Struktur entsteht keine optimale Verbindung des Werkstoffes im Vergleich zu einem äquivalenten homogenen Kunststoffkörper.“

Mit Blick auf die Qualitätssicherung wird bei Korropol derzeit an geeigneten Maßnahmen gearbeitet. „Für die Überwachung des Verzugs in additiv gefertigten Bauteilen bietet sich eine optische Überwachung der Bauteiloberfläche an. Hier besteht die Möglichkeit, mittels einer Stereokamera 3D-Messungen der Bauteiloberfläche zu erstellen. Diese können dann anschließend mit den Eingangsdaten verglichen werden, um Abweichungen zu detektieren“, erklärt Kastner. Das Verfahren könne auch online eingesetzt werden, dann könne aktiv in die Prozesssteuerung eingegriffen werden. Um den entstehenden Bauteilverzug zu eliminieren, setzt bei der FDM-Fräs-Hybridfertigungszelle im zweiten Arbeitsschritt ein Fräsverfahren an, mit dem die Konturgenauigkeit reproduziert werden kann.

Die Qualitätskontrolle der Einzelschichthaftung wird bei dem Dresdner Unternehmen hauptsächlich durch standardisierte Materialversuche durchgeführt. Um die Haftung zu beeinflussen, lassen sich dabei die Oberflächentemperaturen durch Thermografiekameras aufzeichnen. Punktuell können die Bauteile dann lokal durch Wärmequellen erhitzt werden.

Herausforderung für verlässliche und nachvollziehbare Qualität

Doch wie verhalten sich unterschiedliche Materialien mit Blick auf die Qualitätssicherung? Bei der Additiven Fertigung entstehen Bauteil und Werkstoff gleichzeitig. Das heißt: Es muss nicht nur sichergestellt werden, dass die Bauteile geometrisch exakt sind, sondern auch, dass der Werkstoff im richtigen Gefüge vorliegt, damit er das erforderliche Eigenschaftsprofil besitzt. „Hierbei verhalten sich in der Technik als leicht schweißbar bekannte Werkstoffe besser als zum Beispiel intermetallische oder hochfeste Werkstoffe. Diese neigen bei der Verarbeitung über die Schmelzphase zur Rissbildung. Qualitätssicherungsstrategien müssen daher immer auch an den speziellen Werkstoff angepasst werden“, sagt Leyens.

Der Vorteil der Additiven Fertigung besteht darin, dass sich ohne großen Investitionsaufwand jede beliebige Struktur herstellen und die Seriengröße eins problemlos fertigen lässt. „Die wenigsten 3D-Drucker werden das gleiche Bauteil ein zweites Mal drucken. Die größte Herausforderung der Qualitätssicherung wird darin bestehen, die heute etablierten statistischen Qualitätsmerkmale in die Additive Fertigung zu überführen. Somit wird ein Umdenken in vielen Bereichen der Qualitätssicherung nötig“, erklärt Kastner. Fest steht: Die Anzahl der Einflussgrößen auf die Qualität eines additiv gefertigten Bauteils ist sehr groß. Leyens betont: „Folglich müssen – abhängig vom verwendeten Werkstoff – die Haupteinflussgrößen identifiziert und nach Möglichkeit konstant gehalten werden. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass wir eine festgelegte Qualität maschinenunabhängig erreichen. Heute lassen sich Prozesse leider nur schwer von Maschine A auf Maschine B übertragen.“

* Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde ist Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik in 99094 Erfurt, Tel. (03 61) 78 94 46 95, info@bose-munde.de, www.bose-munde.de

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Fachredakteurin für Wirtschaft und Technik