Qualitätsüberwachung und Messung von additiv gefertigten Bauteilen

Schicht für Schicht

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Die Qualitätssicherung in der additiven Fertigung fordert die Unternehmen. Viele Methoden sind noch Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Dabei bietet etwa der typische schichtweise Aufbau auch Vorteile für die QS: So lassen sich etwa durch den Einsatz geeigneter Sensorik frühzeitig im Fertigungsprozess aufschlussreiche Einblicke in das entstehende Bauteil gewinnen.

Die Qualitätssicherung additiv gefertigter metallischer Bauteile stellt viele industrielle Endanwender heute vor große Herausforderungen. Mangels belastbarer Normen und Nachschlagwerke sowie entsprechender Mess- und Prüfmethoden wird Qualitätssicherung im Bereich der additiven Fertigung vielerorts sehr umfänglich im Sinne einer kosten- und zeitintensiven 100-%-Kontrolle betrieben.

Darüber hinaus sind Prozess-Robustheit, Anlagenübertragbarkeit und die fertigungsgerechte Konstruktion auch heute noch Gegenstand von Forschung- und Entwicklungsvorhaben und aus industrieller Sichtweise nicht ausreichend gegeben.

So hängt die Qualität eines additiv gefertigten Bauteils maßgeblich von Eingangsgrößen wie Qualität (zum Beispiel Korngrößenverteilung, chemische Zusammensetzung) des Pulvermaterials, der Prozessführung sowie -regelung ab. Metallische Pulverwerkstoffe müssen vor Befüllung der Anlage unter anderem hinsichtlich ihrer Qualitätsattribute Morphologie, Korngrößenverteilung und Feuchtigkeitsgehalt untersucht werden.

Nach Prozessende im nicht umgeschmolzenen Pulver befindliche Schweißspritzer müssen vor Wiederverwendung im nächsten Baujob herausgesiebt werden, um die erforderliche Zielfraktion wieder einzustellen. Da in der Regel verschiedene Pulverchargen vermischt werden, um den Vorratsbehälter der Anlagen zu befüllen, muss die Pulverhistorie für jedes hergestellte Bauteil lückenlos nachvollziehbar sein.

In-situ-Überwachung deckt Defekte auf

Allen additiven Fertigungsverfahren ist der schichtweise Aufbau des Bauteils gemein. Bei Verwendung geeigneter Sensorik ermöglicht dieser Ansatz bereits im Fertigungsprozess aufschlussreiche Einblicke in das entstehende Bauteil.

Erst kürzlich ist es Wissenschaftlern am DAP (RWTH Aachen Digital Additive Production) mit Partnern aus dem industriellen Umfeld gelungen, mittels schichtbasierter In-situ-Überwachung des Fertigungsprozesses Rückschlüsse auf Defekte (Risse, Poren, Einschlüsse, abweichende chemische Zusammensetzung) im Bauteil zu ziehen. Die frühzeitige Erkennung solcher Defekte ermöglicht ein kosteneinsparendes sofortiges Abbrechen des Prozesses oder aber gegebenenfalls sogar die Kompensation des Defekts in der darauffolgenden Schicht mittels dynamisch angepasster Prozessführung.

Nach Ende des Druckvorgangs werden die Bauteile entpulvert, material- und anforderungsgerecht wärmebehandelt (zum Beispiel Spannungsarmglühen, Anlassen, Auslagern) und anschließend von der Bauplattform getrennt. Da die Oberflächen additiv hergestellter metallischer Bauteile verfahrensbedingt Rauheiten von Rz=50 µm beziehungsweise Ra=5 µm und teilweise einen verfahrensbedingten Verzug aufweisen, folgt oftmals eine spanende Nachbearbeitung zur Einhaltung der geforderten Oberflächengüten sowie Form- und Lagetoleranzen.

Um die geforderten Genauigkeiten durch beispielsweise einen Schlichtvorgang einzustellen, muss zunächst die Ist-Kontur des additiv hergestellten, unbehandelten Bauteils erfasst werden. Basierend auf einem Soll-Ist-Abgleich des ursprünglichen 3D-Modells mit der nach dem Fertigungsprozess erfassten Geometrie wird dann die zur Erzeugung der Endkontur erforderliche Bahnplanung zur zerspanenden Nachbearbeitung erstellt.

Werkstoffzertifizierung vor Bauteilprüfung

Nach Fertigstellung des Bauteils stehen verschiedene zerstörende und zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Verfügung. In Branchen wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt müssen darüber hinaus in umfassenden Untersuchungen zunächst die Werkstoffe für die additive Fertigung qualifiziert und zertifiziert werden, noch bevor überhaupt reale Bauteile geprüft werden.

Hier müssen etwa die Dauerfestigkeit, das Kriech- und Rissverhalten sowie die Dichte definierter Probengeometrien ermittelt werden. In der Regel vergeht circa ein Jahr, bis ein Werkstoff mit einem später nicht mehr änderbaren und anlagenspezifischen Prozessparametersatz für eine Luftfahrtanwendung qualifiziert ist.

Über die Eingangsgrößen und das Endprodukt hinaus müssen aus QS-Sicht auch die Fertigungsanlagen selbst kontinuierlich geprüft werden. So werden in der Fertigung in der Regel alle vier Wochen die Laserleistung, die entsprechende Strahlkaustik sowie die Positioniergenauigkeit und der thermische Fokus-Shift des optischen Systems vermessen. Darüber hinaus werden Pulverauftrag und Schutzgasströmung der Anlagen regelmäßig vermessen und dokumentiert.

Qualität braucht robuste Prozesse

Nur mittels robusten, reproduzierbaren AM-Prozessen kann sichergestellt werden, dass additiv gefertigte Bauteile eine gleichbleibende Qualität aufweisen und somit in sicherheitsrelevanten Bereichen wie Flugzeugtriebwerken oder PKW-Fahrwerken eingesetzt werden können.

Um die oben beschriebenen Besonderheiten der Qualitätssicherung in der additiven Fertigung einer breiteren Masse von Endanwendern zugänglich zu machen, führt der DAP aktuell im Rahmen eines Konsortialprojekts des ACAM (Aachen Center for Additive Manufacturing) eine systematische Untersuchung und Katalogisierung relevanter Maßnahmen und Messverfahren durch.

Darüber hinaus unterstützt der DAP industrielle Endanwender in allen Belangen der Implementierung additiver Fertigungsverfahren – angefangen bei der Entwicklung neuartiger Legierungen und digitaler Materialien, über Dienstleistungen und Workshops im Bereich der AM-gerechten Konstruktion geeigneter Bauteile bis hin zur branchengerechten Qualitätssicherung additiv gefertigter Komponenten.

Hierfür steht auf mehr als 2000 m² AM-Laborfläche auf dem RWTH Aachen Campus eine Anlageninfrastruktur zur Verfügung, mit der alle relevanten qualitätssichernden Maßnahmen für die additive Fertigung abgedeckt werden. ■


Der Referent

Robin Day

Projektleiter Advanced Materials and Processes RWTH Aachen Digital
Additive Production (DAP)

www.dap.rwth-aachen.de


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