Additive Fertigung

Potenziale der Computertomographie perfekt durchleuchtet

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In der additiven Fertigung lassen sich durch den schichtweisen Aufbau komplexe und verschiedene Materialien miteinander verbinden. Dies stellt die Teileprüfung sowohl hinsichtlich Geometrien als auch Materialkonsistenz vor Herausforderungen. Hier bieten Computertomographie-Messgeräte (CT) eine gute Möglichkeit, die Qualitätssicherung zu unterstützen.

Es gibt sehr unterschiedliche additive Fertigungsverfahren (AM) mit einer enormen Spannbreite an Kosten für Drucker und Material. Einige, oft günstige Verfahren erhitzen Filamente aus Kunststoff, andere verfestigen Flüssigkeiten zu robusten Körpern oder schmelzen sehr kostenintensiv mit Laser- oder Elektronenstrahlen Pulver auf. Gemein ist allen, dass auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird.

Während vor einigen Jahren AM vor allem für den Prototypenbau eingesetzt wurde, erobert as Verfahren nun auch den Werkzeugbau und die (Klein-)Serienproduktion. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Anforderungen an die Produkte je nach Nutzung sehr stark verändern. Während bei den Prototypen viele Herausforderungen der AM hinsichtlich Stabilität und Genauigkeit noch akzeptiert werden, erhöht sich der Druck schon beim Werkzeugbau enorm.

Stabile Geometrien der Werkzeuge sind der Schlüssel für eine stabile Produktion der Endprodukte. Allerdings ist es noch nicht so entscheidend, den inneren Aufbau der gedruckten Teile zu kennen, solange diese ihre Funktion erfüllen. Die innere Struktur wird aber dann entscheidend, wenn die gedruckten Teile in Serie gehen und daher in einer laufenden Nutzung beim Kunden sind. Vorteile der AM hinsichtlich der bionischen Konstruktion ermöglichen enorme Gewichtsvorteile, setzen aber für die Stabilität aber einen fehlerfreien Druck voraus. Schwierigkeiten mit dem Pulver, dem Laser oder den Düsen können außen nicht sichtbare, negative Veränderungen zur Folge haben.

Digitale Bilder aus jedem Winkel

Generell müssen alle industriell gefertigten Bauteile – so auch die mit AM gefertigten Teile – einer Maßhaltigkeitsprüfung unterzogen werden. Über die erreichbaren Genauigkeiten der mit AM hergestellten Produkte ist (noch) relativ wenig bekannt. Hierbei sind CTs eine sehr nutzbringende Lösung.

In der CT wird ein Körper mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Zur Anfertigung eines CT-Scans wird der Körper im Strahlengang gedreht. Unter verschiedenen Winkelstellungen werden einige hundert bis wenige tausend Röntgenbilder von einem Detektor digital aufgezeichnet. Am Ende des Scanprozesses liegt das Ergebnis – die 3D-Materialverteilung – digital im Speicher des Computers vor.

Mittels CT lassen sich demnach Materialverteilungen hinsichtlich Ihrer Dichte beziehungsweise Elemente voneinander unterscheiden. Prinzipiell ließen sich alle Körper mit diesem Verfahren digitalisieren, jedoch besitzt das Verfahren physikalische Grenzen. Daher ist es sehr entscheidend, für die jeweilige Anwendung die passende CT-Lösung zu suchen.

So bietet zum Beispiel Wenzel für kleine Kunststoff- und Verbundteile mit dem Exact S ein Gerät mit einer Leistung von 130 KV und einem Gewicht von circa 450 kg an. Für größere Teile – auch aus Metall – bietet Wenzel das leistungsstarke CT-U mit 300 KV an. Das CT-U muss jedoch aufgrund der höheren Leistung deutlich besser abgeschirmt werden und bringt daher bereits acht bis neun Tonnen auf die Waage.

Strukturelle Fehler werden aufgedeckt

Die erste nutzbringende Anwendung der CT liegt im Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung. Durch die Möglichkeit, die innere Struktur von Materialien in hochaufgelösten Bildern darzustellen, lassen sich strukturelle Fehlstellen leicht erkennen. Dies ist vor allem in der aktuellen Einführung von AM in die industrielle Nutzung ein großer Vorteil, schafft diese Prüfung doch Vertrauen bei Produzent und Kunde für diese Technologie.

Eine weitere Anwendung der CT ist die Montageprüfung. Die Funktion eines Bauteils zerstörungsfrei im bereits zusammengebauten Zustand zu verifizieren, ist in der Regel eine Herausforderung. Auch hier erlaubt die materialauflösende Abbildung der CT die Beurteilung der Funktion, ohne das Bauteile zu zerlegen.

In der Verwendung als Koordinatenmessgerät bietet ein CT die Möglichkeit, nahezu beliebige Geometrien schnell und genau zu erfassen. Gerade bei hybriden Bauteilen ist ein CT eine einzigartige Möglichkeit zur Validierung des Teils im Vergleich zum CAD-Datensatz. Sofern sich also das Bauteil wegen seiner Dichte und Größe mit Röntgenstrahlen durchstrahlen lassen, spielt die Komplexität der Geometrie für die Genauigkeit des CT-Messverfahrens eine untergeordnete Bedeutung.

CT und AM haben noch eines gemeinsam. Es sind nicht die schnellsten Produktions- und Messverfahren. Da AM produktiv eingesetzt werden, scheint die Investition aber „leichter von der Hand zu gehen“ als die Investition in ein CT zur Qualitätssicherung.

Um daher nicht als Engpass der Fertigung im Weg zu stehen, bieten sich automatisierte Lösungen an, die den maximalen Durchsatz erlauben. Eine automatisierte Be- und Entladung nutzt das CT-System dann sehr gut aus, wenn kleine Serien zu 100 % überwacht werden müssen. Zudem können mit einem Scan je nach Größe und Dicke der Teile auch mehrere Teile parallel durchgemessen werden. Auch hier sind dann Zeit- und Kostenersparnisse möglich.

CT und AM sind zwei vergleichsweise jungen Technologien, die sich hervorragend miteinander verbinden. Während AM neue Strukturen erlaubt, erfolgt die Qualitätsabsicherung dieser neuen Konstruktionen und Produktionen durch ein CT.

Auf Basis dieser Ergebnisse werden in Zukunft Korrekturmethoden für Konstruktionsdaten generiert, welche sowohl die Maßhaltigkeit, als auch die mechanische Stabilität von AM gefertigter Teile entscheidende verbessern können. ■


Der Referent

Prof. Dr. Heiko
Wenzel-Schinzer

Geschäftsführer/
Chief Digital Officer

Wenzel Group

www.wenzel-group.com


Webhinweis

Auf der Control 2019 hat Heike Wenzel, geschäftsführende Gesellschafterin von Wenzel, mit Quality Engineering über die neuen Technologien ihres Unternehmens und die Digitalisierung in der Qualitätssicherung gesprochen.

Hier geht´s zum Video:
http://hier.pro/kmM3t



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