Qualitätsmanagement für die additive Fertigung

Die gesamte Prozesskette im Blick

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Intelligenter Prozesskopf mit integrierter, sensorbasierter Zustandsüberwachung Bild: Frank Höhler
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Ein umfassendes Qualitätsmanagement ist auch in der additiven Fertigung erforderlich, um die Funktionalität von Bauteilen über die gesamte Nutzungsdauer als auch deren robuste Prozessierung sicherzustellen. Abhängig von den Bauteilanforderungen ergeben sich unterschiedliche Tiefen und Zyklen notwendiger Qualitätsmanagement-Maßnahmen.

Mittels neuer Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) oder dem Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) können noch komplexere, leistungsfähigere und flexiblere Bauteile gefertigt werden, wodurch sowohl die Effizienz als auch die Nachhaltigkeit technischer Systeme maßgeblich verbessert werden können. Hand in Hand mit dem Etablieren dieser Verfahren geht das Entwickeln standardisierter und konsistenter Qualitätssicherungsmechanismen. Diese sind der Schlüssel zu einer gesamtheitlichen Integration der additiven Fertigung in bestehende Prozessketten.

Sowohl das SLM- als auch das LPA-Verfahren nutzen als Basis pulverförmige Zusatzwerkstoffe zum Generieren des Volumens. Daraus resultiert die Notwendigkeit einer umfassenden Charakterisierung der Pulvermaterialien, was Eigenschaften wie zum Beispiel die Morphologie, die Porosität als auch die Fließfähigkeit einschließt. Die kontinuierliche Kontrolle der Spezifikation entlang der Prozesskette dient der Sicherstellung der Qualität vom Ausgangsmaterial bis zum fertigen Bauteil.

Wie bei konventionellen Schweißprozessen ist auch in der additiven Fertigung die Qualität des Schweißguts von multiplen Einflussfaktoren, wie zum Beispiel den thermischen Randbedingungen, der Prozessgasatmosphäre und dem Zustand der verwendeten Systemtechnik, abhängig. Aufgrund des für die additive Fertigung typischen, schichtweisen Aufbaus akkumulieren sich Defekte mit zunehmender Bauteilhöhe. Um diese frühzeitig zu erkennen, Ursachen feststellen zu können und um Ausschuss zu vermeiden, müssen zahlreiche Einflussgrößen während des Fertigungsprozesses erfasst werden.

Zu den wichtigsten zählen die kamerabasierte Erfassung von Prozesstemperatur und Schmelzbadgeometrie, die Bestimmung des Restsauerstoffgehaltes in der Prozesszone und die Zustandskontrolle eingesetzter Systemtechnik. Das Sammeln der Prozesskennwerte erlaubt das Erstellen eines digitalen Prozesszwillings, welcher gespeichert und jederzeit zur Fertigungsdokumentation beiträgt. Im Sinne eines ganzheitlichen Qualitätsmanagements in der additiven Fertigung haben die Ingenieure des Fraunhofer IWS einen intelligenten Prozesskopf für das Laser-Pulver-Auftragschweißen entwickelt, der mit einer Vielzahl von Sensoren ein aussagekräftiges Abbild des Bauprozesses erstellt und einer Prozessdatenbank zuführt.

Der Fertigung nachgelagerte Qualitätssicherungsmechanismen nehmen einen hohen Stellenwert ein. Aufgrund der engen Verknüpfung von Prozessbedingungen und resultierenden Materialeigenschaften stellen zerstörende Prüfverfahren ein geeignetes Mittel zur Bestimmung materialwissenschaftlicher Kennwerte dar. Mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren wie der Computertomographie oder der optischen 3D-Vermessung müssen generierte Bauteile hinsichtlich prozessbedingter Porosität oder Geometrieabweichungen geprüft werden. Durch einen Abgleich der erfassten Daten mit den Bauteilspezifikationen kann somit die geforderte Fertigungsqualität gewährleistet werden.

Weiterführend können die erfassten Daten für eine Korrelation multipler Einflussfaktoren und für das Untersuchen wichtiger Fragestellungen wie dem Effect-of-Defect genutzt werden, um ein tieferes Prozessverständnis zu erlangen. ■


Der Referent

Professor Frank Brückner
Geschäftsfeldleiter
Additive Manufacturing and Printing

Fraunhofer IWS

www.iws.fraunhofer.de


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