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CT-Experte über Möglichkeiten und Limits in der additiven Fertigung

Lennart Schulenburg über Möglichkeiten und Herausforderungen in der additiven Fertigung
CT-Experte: „Man muss die Limits kennen“

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Computertomografie (CT) gilt als die Technik der Wahl, wenn es um die Prüfung von additiv gefertigten Bauteilen geht. Visiconsult-Geschäftsführer Lennart Schulenburg erklärt, warum das so ist. Er spricht aber auch über die Grenzen der Technologie und die Konsequenzen für die Anwender.

Herr Schulenburg, zum Portfolio von Visiconsult gehören CT-Geräte. Diese werden zunehmend auch für die Prüfung additiv gefertigter Bauteile eingesetzt. Sie gelten als die Technologie der Wahl, wenn es um 3D-Druck geht. Warum?

Schulenburg: Im 3D-Druck geht es meistens um sehr komplexe Bauteile. Denn erst dann lohnt sich die additive Fertigung wirklich. Oft führen diese sehr komplexen Strukturen wie zu Beispiel Honeycomb-Strukturen zu einer anspruchsvollen Prüfgeometrie. Teilweise gibt es aber auch relativ hohe Dicken von sich überlagernden Wänden. Und das schließt die meisten Prüfverfahren außer der CT aus. Denn mit Ultraschall oder mit Thermografie kommt man nicht über den ersten Layer hinweg. Aber auch die CT kann an ihre Grenzen kommen.

Inwiefern?

Schulenburg: In der CT gibt es zwei Auflösungen, die interessant sind. Vereinfacht ausgedrückt kann man sagen: Das eine ist die Ortsauflösung – was kann ich in der XY-Richtung auflösen? Noch interessanter ist aber die Kontrastauflösung – was kann ich in der Tiefe auflösen? Und die lässt sich nicht ohne Weiteres ändern. Derzeit lässt sich eine Kontrastauflösung von circa 1 bis 2 % der Wanddicke erreichen. In der additiven Fertigung hat man es aber mit neuen Defekten zu tun, die es vorher so noch nicht gab – wie zum Beispiel Delaminationen. Das Problem ist, dass häufig nur eine Schicht von circa 30 bis 40 μm delaminiert ist. Das heißt: Man braucht eine reale Auflösung von 10 bis 15 μm, um das einigermaßen abzubilden. Das limitiert die Objektgrößen, die man prüfen kann. Deswegen ist es extrem wichtig, dass sich Anwender von Anfang an Gedanken machen, was sie prüfen müssen. Und wie das Bauteil überhaupt aufgebaut sein muss, dass es noch prüfbar ist.

Und das geschieht nicht immer?

Schulenburg: Es kommt häufig in der Praxis vor, dass Endanwender versuchen, das letzte Prozent Gewicht einzusparen. Und dabei machen sie die Bauteile unprüfbar. Das ist ein zunehmendes Problem: Es werden Bauteile entwickelt, die nicht in die Flugzeuge oder Fahrzeuge eingebaut werden können, weil sie sich nicht prüfen lassen.

Man muss also schon bei der Entwicklung des Bauteils die Prüfbarkeit mitdenken.

Schulenburg: Ja. Design for Manufacturing ist wichtig. Aber Design for Inspectibility ist mindestens genauso wichtig. Nur ein geprüftes Bauteil ist ein zu realisierendes Bauteil. Die Potenziale des 3D-Drucks werden erst realisiert, wenn das Bauteil auch wirklich in der Produktion gedruckt wird und es nicht nur im Labor ein netter Showcase für eine Messe ist.

Das heißt, die klare Botschaft an die Unternehmen lautet: Bestimmte Geometrien sind zur Zeit einfach nicht möglich.

Schulenburg: Ich gebe Ihnen ein Beispiel. Wir wurden von einem Luftfahrtunternehmen aus dem Bereich der Turbinen kontaktiert, das eine ganze Brennkammer im 3D-Druck hergestellt hat. Das war technisch absolut genial. Wir hatten das Teil zur Bemusterung bei uns im Haus und haben Tests durchgeführt. Danach mussten wir den Hersteller aber vor die Wahl stellen: Entweder wir zerschneiden das Teil oder wir scannen nur einen kleinen Teil des Objektes hochauflösend. Eine dritte Möglichkeit: Wir scannen es in der Makroauflösung – mit mehr Energie und weniger Auflösung. Damit lassen sich zwar Geometrieabweichungen schön erkennen. Aber man sieht dann keine Defekte mehr. Und das ist ja nicht der Sinn der Sache. Wir reden hier schließlich über zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.

Das ist interessant, weil der 3D-Druck ja gerade für den Leichtbau als vielversprechende Technologie gilt. Mithilfe neuer Geometrien soll noch mehr Gewichtsreduzierung herausgeholt werden.

Schulenburg: Das stimmt. Aber man muss die Limits der Technologie kennen. Die werden sich bestimmt noch mal verschieben. Derzeit ist die CT an ihrer physikalischen Grenze, was die Kontrastauflösung betrifft. Und so lange es keine anderen Verfahren gibt, muss man um diese Limits herum arbeiten. Am Ende des Tages muss man sich vielleicht mit 30 % Gewichtseinsparung zufriedengeben, statt auf 35 % zu gehen. Deshalb ist es so extrem wichtig, dass Prüfverantwortliche und Designverantwortliche frühzeitig miteinander sprechen.

Sie sprechen von physikalischen Grenzen. Ist es denn überhaupt absehbar, dass solche Herausforderungen bewältigt werden?

Schulenburg: Das sehe ich derzeit nicht. Die Detektoren werden immer ein bisschen besser. Und in Zukunft werden wir vielleicht bereits Indikationen ab 1 % der Wanddicke gut abbilden können. Das sind kontinuierliche Verbesserungen, aber keine fundamentalen Veränderungen. Interessanter werden wahrscheinlich Bereiche der Normung sein. Damit meine ich, dass es möglich ist, mitgebaute Referenzkörper zu scannen. Und dass Meltpool-Monitoring und ähnliche Verfahren noch besser mit CT-Aufnahmen korreliert werden. Das Ziel ist dann, mit hinreichend statistisch belegter Genauigkeit die Aussage zu treffen: Wenn im Referenzbauteil kein Defekt ist, dann gibt es in dem Bauteil auch keinen Defekt. Das ist aber derzeit so noch nicht möglich.

Wird daran gearbeitet?

Schulenburg: Wir sind an zwei Forschungsprojekten beteiligt, die genau das belegen sollen – also eine Korrelation zwischen Meltpool-Daten und Bauteilschliffen. Das Projekt nennt sich Enable 3D. Der Name sagt es: Es soll den 3D-Druck in qualitätsrelevanten Bereichen möglich machen. Aber dabei stehen Normung und Forschung noch ziemlich am Anfang.

Normung ist ein gutes Stichwort.
Es wird immer wieder diskutiert, dass die fehlenden Normen auch eine Herausforderung für die Qualitätssicherung in der additiven Fertigung darstellen.

Schulenburg: Das ist richtig. Es wird besser, aber man kann noch nicht sagen, dass man Standards aus der Schublade zieht und dann loslegen kann. Die AM-Technologie entwickelt sich so schnell. Und die ganzen Learnings daraus zu verarbeiten, wird noch ein bisschen dauern

Auf einem Roundtable der QE zu diesem Thema hieß es, jeder 3D-Druck-Anwender ist zur Zeit noch ein Pionier.

Schulenburg: Das stimmt absolut. Viele Dinge werden noch gar nicht geschult. Zum Beispiel, dass die Objektgeometrie dadurch beeinflusst wird, wie der Laser das Bauteil abtastet. Denn man bringt einen Temperaturgradienten in das Bauteil. Je nach Laserstrategie führt das dazu, dass Stress beziehungsweise Spannung in das Bauteil eingebracht wird, die dann später die Geometrie verzieht. Das ist niemandem richtig bewusst. Es hat sich noch nie jemand Gedanken darüber gemacht, dass es extrem wichtig ist, wie genau das Bauteil abgetastet wird. Das lernt man in keinem Kurs.

Wird die Prozesskontrolle vielleicht irgendwann mal so gut sein, dass man auf Prüftechnologien verzichten kann?

Schulenburg: Das glaube ich nicht. Zumindest Stichproben werden immer notwendig sein. Wie lange gibt es schon Gieß- oder Schweißverfahren? Und auch dort wird noch immer geprüft. Der Prozess des 3D-Druckens ist noch deutlich schwerer zu beherrschen als die konventionellen Herstellungsverfahren. Es gehen Dinge schief und die muss man finden. Das gilt erst recht für sicherheitskritische Bereiche wie etwa in der Luftfahrt.

Wie weit ist man aus Ihrer Sicht mit
der Inline- oder Atline-Messtechnik in der additiven Fertigung?

Schulenburg: Wir arbeiten gerade mit einem Projektpartner aus dem Luftfahrtbereich an genau solch einer Integration. Das Unternehmen will sogar noch weiter gehen und den kompletten AM-Prozess touch-free aufbauen. Das heißt: Selbstfahrende Roboter entnehmen die Build Plates aus den Anlagen. Die Entfernung des Pulvers und die Entfernung der Stützstrukturen erfolgt ebenfalls vollautomatisch. Dann geht das Bauteil weiter in die CT-Anlage und in die Oberflächenbehandlung. Und schließlich in die Endprüfung. Als Anlagenhersteller im Sondermaschinenbau ist es quasi eine unserer Lieblingsbeschäftigungen, solche individuellen Lösungen zu liefern.

Heißt das, dass sich Inline-Messtechnik
in der additiven Fertigung noch eher auf Pilotprojekt-Niveau befindet?

Schulenburg: Unserer Technologie ist es egal, ob sie es mit einem Gussteil oder einem AM-Teil zu tun hat. Wir können uns in jeden Prozess integrieren. Es ist eher der Fall, dass die Kunden noch nicht so weit sind. Weil AM noch nicht die Volumenmärkte erreicht hat. Unserer Erfahrung nach stehen 3D-Drucker bei Kunden eher im Labor. Oder sie werden für Kleinserien oder Prototypen verwendet. Wir haben noch keinen Kunden, der mit so vielen 3D-Druckern arbeitet, dass sich eine Inline-CT-Anlage lohnen würde. So ein Build kann gerne mal ein paar Tage dauern. Ein CT-Scan – selbst, wenn es ein hochauflösender ist – braucht dagegen maximal fünf Stunden. Um eine CT-Anlage also maximal auszulasten, benötigt man schon ein paar 3D-Drucker.

Sehen Sie noch weitere
Herausforderungen?

Schulenburg: Das größte Thema ist, Erwartung und Realität zusammenzubringen. In dieser Hinsicht haben die Hersteller von 3D-Druck-Technik nicht den besten Job gemacht. Sie haben eine Technologie als reif angepriesen, die das noch gar nicht ist. Damit haben die Anwender am meisten zu kämpfen. In den Qualitätsabteilungen entstehen viele Fragen. Welche Defekte sind denn akzeptabel? Was sind die Grenzen, die wir akzeptieren können? Alle über die gesamte Wertschöpfungskette hinweg müssen dafür in Sachen Normung und Standardisierung zusammenarbeiten – also die Anbieter von QS-Technik, die Hersteller von 3D-Druckern und die Anwender. ■

VisiConsult X-ray Systems & Solutions GmbH
Brandenbrooker Weg 2–4
23617 Stockelsdorf
Tel. +494512902860
www.visiconsult.de


Der Autor

Markus Strehlitz

Redaktion

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