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3D-Metalldruck Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung

| Autor/ Redakteur: Judith Käsemann / Simone Käfer

Seit Dezember 2019 gibt es eine Norm zur Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung. Ein vom TÜV Süd auditiertes Unternehmen beschreibt, worauf man achten sollte und welche weiteren Möglichkeiten es gibt.

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Die DIN SPEC 17071, die Norm zur Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung, definiert einheitliche Anforderungen an die Anlagen, Materialien, Prozesse und Mitarbeiter.
Die DIN SPEC 17071, die Norm zur Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung, definiert einheitliche Anforderungen an die Anlagen, Materialien, Prozesse und Mitarbeiter.
(Bild: fotomek - stock.adobe.com)
  • Die Grundlage für das Qualitätskonzept bildet die ISO 9001.
  • Standards aus Automobilindustrie, wie die IATF 16949, und aus der Luft- und Raumfahrt erweitern das Qualitätsmanagement.
  • Anforderungen, die speziell auf das additive Verfahren abgestimmt sind, runden die Produktsicherheit ab.

Normen und Standards für additive Verfahren und Prozesse sind erst im Entstehen. So wurde die erste Norm zur Qualitätssicherung vor Kurzem veröffentlicht. Die DIN SPEC 17071 definiert einheitliche Anforderungen an die Anlagen, Materialien, Prozesse und Mitarbeiter. Der Auftragsfertiger Protiq hat für eine Fertigungslinie, an der das Unternehmen per selektivem Laserschmelzen (SLM, selective laser melting) Bauteile für einen Kunden aus der Automobilindustrie additiv fertigt, ein Qualitätsmanagementsystem (QMS) erarbeitet, das nun vom TÜV Süd nach der neuen Norm auditiert wurde. Dieses setzt auf der ISO 9001 auf und wird um entsprechende Normen aus den Branchen Automobil- und Luft- und Raumfahrt sowie um verfahrensspezifische Eigenheiten ergänzt.

Die Anforderungen von ISO, IATF und DIN

Die ISO 9001 verlangt die Einhaltung und den Nachweis folgender Punkte:

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  • Verständnis der Organisation und deren Kontext (interessierte Parteien des Unternehmens, deren Erfordernisse und Erwartungen, die Anwendungsbereiche des QMS und dessen Prozesse),
  • Führungsebene und deren Aufgaben im Rahmen des Qualitätsmanagements,
  • Überblick über die Planung im Unternehmen (Maßnahmen bei Risiken, Chancen, Qualitätsziele und Aktivitäten zu deren Umsetzung),
  • Ressourcen,
  • eigentlicher Betrieb des Unternehmens (Rolle der einzelnen Unternehmensprozesse im wertschöpfenden Prozess),
  • ausführliche Analyse der Qualität im Unternehmen (Bewertung von Produkten und Dienstleistungen, Kundenzufriedenheit und QMS) und
  • zur Optimierung des Unternehmens beitragende Möglichkeiten.

Ausgerichtet an diesen Anforderungen etabliert sich ein Plan-do-check-act-Zyklus innerhalb des Unternehmens, der Anstöße durch Forderungen und Feedback der Kunden erhält. Um die einzelnen Punkte nachzuweisen, empfiehlt sich ein Qualitätsmanagement-­Handbuch.

Die Qualitätsmanagement­standards der Automobilindustrie sind in der IATF 16949 festgehalten, die auf der ISO 9001 aufbaut. Wer bereits gemäß ISO 9001 zertifiziert ist, kann mit einem Upgrade auf die IATF 16949 die Dauer des Audits reduzieren. Der IATF-Standard zielt auf einen besonders ausgeprägten kontinuierlichen Verbesserungsprozess ab, der Fehlerquellen entdecken und vermeiden sowie die Streuung und Verschwendung entlang der Lieferketten minimieren soll. Da bei der IATF die Kunden noch mehr im Fokus stehen als bei der ISO, müssen kundenspezifische Anforderungen evaluiert und im Qualitätsmanagementsystem beachtet werden.

Ferner hat das Unternehmen für eine verstärkte Rückverfolgbarkeit der Produkte während des Fertigungsprozesses sowie eines definierten Zeitraums nach der Auslieferung zu sorgen. Um eine Produktsicherheit zu garantieren, müssen Mitarbeiter, die an der Herstellung und Prüfung sicherheitsrelevanter Produkte beteiligt sind, die dafür erforderlichen Schulungen durchlaufen.

Für die Luft- und Raumfahrt gilt die DIN EN 9100:2016 (EN 9100). Wesentliche Unterschiede zur ISO sind die Einführung eines Konfigurationsmanagements sowie die höheren Anforderungen zur Produktsicherheit und dem Umgang mit gefälschten Teilen. Außerdem wird das Risikomanagement ausgedehnt, ein proaktives risikobasiertes Denken und Handeln in allen Tätigkeiten des Unternehmens praktiziert sowie die Kontrolle der Lieferanten verschärft.

Produktsicherheit auf hohem Niveau

Um eine bessere Produktsicherheit zu garantieren, kann man sich an der für die Luft- und Raumfahrt konzipierten DIN 65124:2018-10 orientieren. Für eine Produktion mit dem selektiven Laserschmelzen muss

  • eine geeignete Betriebsstätte mit konstanten Peripherie­bedingungen und zulässiger betrieblicher Ausstattung bereitgestellt werden. Das bedingt Maschinen, die gemäß den Aufstellbedingungen des jeweiligen Herstellers installiert und in regelmäßigen Intervallen von fachkundigem Personal geprüft werden.
  • Die benötigten Werkstoffe sind vom Materialhersteller zu qualifizieren und müssen den spezifischen Prozessanforderungen entsprechen. Zu den Einflussfaktoren gehören zum Beispiel die Partikelgrößenverteilung und chemische Zusammensetzung des Pulvers. Die Kenngrößen der Pulverchargen müssen in einem Abnahmeprüfzeugnis dokumentiert und dem Kunden/Auftragsfertiger bei der Lieferung zur Verfügung gestellt werden.
  • Der Auftragsfertiger steht in der Pflicht, das Pulver verantwortungsvoll zu handhaben, sodass es nicht durch Fremdkörper verunreinigt werden kann, oxidiert oder zu viel Feuchtigkeit aufnimmt. Um das Pulverhandling möglichst transparent zu gestalten, ist eine Chargendokumentation durchzuführen, damit das Pulver – auch als Mischung – jederzeit identifiziert und rückverfolgt werden kann.

Die vom Kunden gewünschte Qualität eines Bauteils kann ein Auftragsfertiger aber nur sicherstellen, wenn zuvor Funktion und Anforderungen an das Bauteil definiert wurden.

Auch die Einstellparameter entlang des Wertschöpfungsprozesses sollten festgehalten werden. Mit einer solchen Dokumentation kann der Bauprozess besser überwacht werden. Erforderliche Werte:

  • Belichtungsparameter,
  • Maschinentyp einschließlich Hardware-/Softwarestand und Seriennummer,
  • Aufstellort,
  • Pulvercharge,
  • Beschichterart,
  • Gasspezifikation (Sorte) und die Gaseinstellungen sowie
  • Einfluss aller genannten Faktoren auf das Bauteil.

Weiterhin sind Angaben zum angewendeten Fertigungsverfahren, der Pulverspezifikation, der Materialspezifikation des generierten Bauteils und den Postprocessing-Schritten festzuhalten. Darüber hinaus müssen Befunde hinsichtlich zulässiger und unzulässiger Bauteilmerkmale sowie zur Bauteilprüfung gemacht werden. Zur Erzielung möglichst reproduzierbarer Bauergebnisse sind anlagenspezifische Daten festzulegen und zu dokumentieren. Diese geben Auskunft über die Bauteilorientierung im Bauraum, die Art und Anordnung der gewählten Stützstrukturen sowie die Anzahl und Positionierung der Bauteile.

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Qualitätssicherung bei einem Radträger

Abgesehen von der Prüfung am Ende der Fertigungskette ist bei einer Qualitätssicherung für das Fertigen von Bauteilen im SLM-Verfahren (selective laser melting, selektives Laserschmelzen) die genaue Prüfung des Pulvers wichtig. Doch davor werden die Baudaten vorbereitet, in diesem Beispiel die eines Radträgers. Dabei hat Protiq das 3D-CAD-Modell des Radträgers mit entsprechenden Stützstrukturen versehen. Die Art der gewählten Strukturen sowie die Ausrichtung des Radträgers im Bauraum wurde zur Reproduzierbarkeit dokumentiert und der erstellte Baujob gespeichert.

Nun mussten die Eigenschaften des Pulvers ermittelt werden. So stellt der Auftragsfertiger auch sicher, dass regelmäßige Qualitätskontrollen des Pulvers stattfinden und dieses für die Verarbeitung geeignet ist. Der Radträger wurde mit der Aluminiumlegierung AlSi10Mg gedruckt, ein gängiger Werkstoff für SLM. Typischerweise zeigt die Partikelgrößenverteilung einen annähernd normalverteilten Verlauf auf. Darüber hinaus wird auf rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen deutlich, dass die einzelnen Aluminiumpartikel eine sphärische Struktur besitzen und wenige Anhaftungen von sogenannten Satelliten aufweisen. Die Feuchtigkeit des AlSi10Mg-Pulvers beträgt idealerweise < 5 %. Sind die genannten Anforderungen erfüllt, weist das Pulver im Prozess gute Eigenschaften auf, um eine homogene Pulverschicht auf der Bauplattform aufzutragen.

Das Auftragen von Pulverschichten geschieht mit einer Stahlklinge (Rakel), die das Pulver auf einer Bauplatte aus Aluminium verteilt – passend zum Werkstoff. Nun kommt die Positionierung des Bauteils ins Spiel: Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung entlang der Bauteilgeometrie sicherzustellen, wurde das Bauteil in einem 45°-Winkel zur Beschichtungsrichtung gefertigt. Zusätzlich haben die Konstrukteure Probekörper auf der Bauplatte gemäß VDI 3405 geplant.


Postprocessing und Qualitätskontrolle

Nach dem Bauprozess wird das überschüssige Pulver mit einem materialspezifischen Werkzeug-Set aus dem Bauraum entfernt und die hergestellten Bauteile werden mit einer Bandsäge von der Bauplattform getrennt. Anschließend erfolgen die Entfernung der Supportstrukturen und die Oberflächenbehandlung. Im darauffolgenden Schritt wird eine Sichtprüfung des Bauteils durchgeführt. Diese optische Kontrolle dient dazu, dass mögliche Defekte am Bauteil möglichst früh erkannt werden können, bevor weitere Schritte zum Postprocessing sowie der Qualitätssicherung eingeleitet werden. Im Anschluss an die Sichtprüfung werden noch vorhandene Supportreste vom Radträger entfernt, Funktionsflächen nachgeschliffen und das Bauteil erneut sandgestrahlt.

Ist die Nachbearbeitung abgeschlossen, geht es mit der Qualitätssicherung erst richtig los. Der Radträger und die Probeteile wurden einer Farbeindringprüfung, taktilen Rauheits- und Dichtemessung sowie einer Härteprüfung unterzogen. Auch die statischen Festigkeitskennwerte hat das Unternehmen ermittelt. Ein Prüfverfahren, das vor allem bei komplexen Geometrien und innenliegenden Strukturen von Vorteil ist, ist die Computertomografie (CT), denn sie generiert dreidimensionale Informationen des Bauteils.

Bei der Trennung der Bauteile von der Substratplatte und der Entfernung der Stützstrukturen sieht die DIN 65124 Verfahren vor, die keinen negativen Einfluss auf die Bauteilqualität nehmen, was Drahterodieren und Sägen erlaubt. Für die abschließende Oberflächenbehandlung können unter anderen Strahlverfahren (Korund, Glasperlen) und Schleifverfahren angewendet werden. Eine nachträgliche Reparatur der Bauteile oder Ausbesserung von Fehlstellen ist nur durch die Einhaltung eines entsprechenden Qualifikationsprogramms zulässig. Dieses gibt vor, dass die Reparaturen nur unter schriftlicher Zustimmung des Kunden und durch Fachpersonal erfolgen dürfen. Darüber hinaus sind die Änderungen in einem dem Bauteil eindeutig zuordbaren und ausführlichen Protokoll zu dokumentieren.

Abschließend sind die in den Bauunterlagen festgelegten Prüfverfahren durchzuführen. An dieser Stelle kann der Kunde zerstörungsfreie und/oder zerstörende Prüfverfahren an den generierten Bauteilen und Begleitproben fordern. Die hierfür zulässigen Prüfverfahren sind in der DIN 65123 aufgeführt. Die Dokumentation der Auftragsunterlagen muss gemäß den Vorgaben der DIN EN 9133 und E DIN EN 9130 erfolgen. Zu einer ausreichenden Dokumentation gehören

  • Anordnung und Art der Support­strukturen,
  • Anordnung des Bauteils im Bauraum,
  • Anordnung und Positionierung einzelner Bauteile,
  • eingesetztes Pulver,
  • verwendete Bauplattform,
  • verwendetes Schutzgas,
  • die in der Fertigungsanweisung festgehaltenen Informationen und
  • die Fertigungsnummer.

Zur Sicherstellung der Qualität additiv gefertigter Bauteile sollte der Kunde darauf achten, dass der entsprechende Hersteller über die notwendige(n) Zertifizierung(en) verfügt. Die ISO 9001 erweist sich hier als gute Basis. Werden die Standards der Automobilindustrie sowie Luft- und Raumfahrt ebenfalls erfüllt, kann der Kunde von einer hohen Bauteilgüte ausgehen.

* Judith Käsemann verfasste den Beitrag nach Unterlagen von Protiq; Weitere Informationen: Protiq in 32825 Blomberg, Tel. (0 52 35) 34 38 00

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