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Roundtable zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung

Additive Fertigung
Roundtable zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung

Die Qualitätssicherung in der additiven Fertigung ist ins Stocken geraten, wie unser Roundtable zeigt. Es fehlt vor allem an offenen Schnittstellen, mit denen Anwender die Daten aus 3D-Druckern in ihre IT überführen können, sodass Prozessüberwachung und -regelung über die gesamte Herstellungskette möglich werden.

» Sabine Koll und Markus Strehlitz

Vor zwei Jahren haben wir beim Roundtable zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung gefragt, wo das Thema heute steht. Frau Dr. Effenberger, Sie hofften, dass wir heute die Zusammenhänge zwischen Qualität und Prozessparametern besser begreifen. Ist das eingetreten?

Effenberger: Wir sind ein Stück weiter als vor zwei Jahren. Allerdings hat Corona die Entwicklung in der additiven Fertigung ganz klar gebremst. Viele Unternehmen hatten durch die Pandemie andere Probleme, sodass prozessintegrierte Lösungen nicht in dem Maße weiterentwickelt werden konnten, wie wir uns das damals vorgestellt haben. Dennoch sind wir weiter auf einem guten Weg, um Daten aus den additiven Fertigungsprozessen zu sammeln und mit den Methoden der Künstlichen Intelligenz und des Maschinellen Lernens auszuwerten.

Herr Schulenburg, Ihr Vater hat damals prognostiziert, es werde heute Inline-CT-Anlagen geben, die auch in der Serienfertigung zum Einsatz kommen.

Schulenburg: Die Aussage hätte ich vor zwei Jahren genau so unterschrieben. Dafür dass dieses Level der Automatisierung noch nicht flächendeckend eingesetzt wird, würde ich auch ein Stück weit die Corona-Pandemie verantwortlich machen. Die Prioritäten der Unternehmen lagen nicht auf der additiven Fertigung, sodass wir hier leider immer noch hauptsächlich im Prototypen-Bereich sowie im Werkzeug- und Vorrichtungsbau unterwegs sind. In der Serienfertigung mit hohen Produktionsvolumen ist die additive Fertigung noch nicht angekommen. Daher wird auch die vollautomatische und integrierte Prüfung noch nicht benötigt. Große Projekte in der Luftfahrt- und Automobilbranche, die in Richtung Vollautomatisierung der additiven Fertigung gingen, wurden gestoppt. Wir haben im 3D-Druck durch Corona ein bis anderthalb Jahre verloren. Doch die Entwicklung wird wieder Fahrt aufnehmen. Wenn die Massenfertigung Realität wird, dann muss man auch die Qualitätssicherung automatisieren.

Wenzel-Schinzer: Wir können hier tatsächlich das vergangene Jahr komplett streichen. Es war für die Messtechnikhersteller schon ein schwieriges Jahr, aber für die Hersteller von Maschinen für die additive Fertigung war es noch viel schwieriger. Entsprechend gab es auch bei uns so gut wie keine Anfragen etwa nach CTs für die additive Fertigung. Das hat sich nun verbessert. Aber die Kunden sind nach wie vor im Prototypenbereich unterwegs, insofern wird Automatisierung nicht nachgefragt.

Herr Seifarth, wo steht Cirp bei der additiven Fertigung – Prototypenbau oder Serienfertigung?

Seifarth: Wir fertigen heute additiv in Serie – und stehen nach wie vor vor riesigen Herausforderungen im Hinblick auf die Automatisierung einschließlich Qualitätssicherung. Frau Dr. Effenberger sprach gerade davon, Daten zu sammeln, um den Prozess stabil zu gestalten. Doch dazu muss man wissen, dass es auf diesem Markt keine übergreifenden Kooperationen von 3D-Druck-Maschinen oder gar Standards gibt. Dies gilt zumindest für den Kunststoffbereich, den wir bedienen. Im Metallbereich, so nehme ich das wahr, hat sich deutlich mehr bewegt in den vergangenen Jahren. Gleichzeitig ist auf dem Markt für additive Dienstleister ein großer Preiskampf entfacht. Die Kunden fordern Serienteile in der Qualität, die sie von anderen Verfahren etwa kennen. Normen für additiv gefertigte Kunststoffbauteile gibt es ja noch nicht im nötigen Maß. Daher müssen wir uns im Prinzip alles selbst erarbeiten.

Sind Ihre Bestrebungen der Automatisierung eine Antwort auf den Preiskampf?

Seifarth: Definitiv, ohne Automatisierung ist die Serienfertigung mit 3D-Druck nicht wirtschaftlich abzubilden. Es sind heute sehr viele manuelle Prozesse notwendig, die immer das Risiko bergen, dass der Mensch dahinter Fehler macht. Die Dokumentation ist außerdem äußerst aufwändig, oft noch verbunden mit Zettelwirtschaft. Im Rahmen der BMBF-Ausschreibung „Promat-3D“ gibt es Anstrengungen, Normen und Standards aus der Metall- in die Kunststoffwelt zu übertragen. Leider beteiligen sich bis jetzt keine Maschinen- oder Werkstoffhersteller aus dem Kunststoffbereich daran.

Wo sehen Sie im Moment die größte Baustelle?

Seifarth: Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Maschinenhersteller sich nicht öffnen. Auf der Datenseite ist das alles sehr proprietär. Selbst bei Maschinen nur eines Herstellers habe ich das Problem, dass ich die Daten aus dem internen Tool zur Prozesssteuerung und -überwachung nicht in meine Unternehmens-IT bekomme, da der Hersteller keine Schnittstellen zur Verfügung stellt. Nun haben wir Maschinen mehrerer Hersteller. Da potenzieren sich die Probleme. Es gibt keine Möglichkeit, eine übergreifende Inline-Prozesssteuerung zu nutzen, anhand derer ich die Chance hätte, Druckjobs bei Fehlern schon während des Baus abzubrechen oder sogar im Sinne eines Closed Loops Parameter im laufenden Prozess zu verändern. Für mich wäre OPC UA eine super Lösung. Damit könnte ich dem Kunden alle wesentlichen Parameter des Druckjobs dokumentieren. Noch weiter gedacht: Wir brauchen offene Schnittstellen entlang der gesamten Wertschöpfungskette, um auch Daten aus Maschinen und Geräten für das Pre- und Postprocessing zu analysieren und dokumentieren.

Effenberger: Die 3D-Drucker zeichnen während des Prozesses durchaus Daten auf, die dann intern im Drucker abgespeichert werden. Aber für den Anwender sind diese Daten nicht in der Form zugänglich, dass er Schlüsse in Bezug auf die Qualität des additiv gefertigten Bauteils daraus ziehen kann. Außerdem ist die Integration zusätzlicher Sensorik ohne entsprechend offengelegte Schnittstellen schwer möglich. Es wäre ein wirklicher Mehrwert für den Anwender, Qualitätsaussagen zum Bauteil bereits während des Druckjobs machen zu können. Auf Forschungsseite läuft in dieser Richtung viel, aber die Hersteller von additiver Technologie halten sich ein Stück weit bedeckt. Das bestätigen andere Forschungsinstitute.

Sperling: Wir sehen die Probleme im Connectivity-Bereich ebenfalls. Die meisten Kunden konzentrieren sich daher in der Regel auf den 3D-Drucker eines Herstellers. Doch wir nehmen durchaus wahr, dass die Kunden die Hersteller zunehmend unter Druck setzen, die Schnittstellen offenzulegen. Das Argument ist immer: Ich muss den Prozess überwachen und zertifizieren. Ich gehe davon aus, dass die Systeme in ein oder zwei Jahren deutlich offener sind.

Schulenburg: Ich sehe heute schon, dass sich hier viel bewegt – zumindest im Metalldruckbereich. Wir haben gerade ein Projekt, bei dem der Anwender Daten aus der Meltpool-Analyse des 3D-Druckers als Vorindikation erhält, wo sich im Bauteil Defekte befinden könnten, sodass wir ein Region of Interest CT genau dieses Bereichs erstellen können. Vor zwei Jahren wäre das noch undenkbar gewesen, damals war das wirklich sehr Closed Shop. Am Ende des Tages lassen sich Kostenvorteile in der additiven Fertigung nur so realisieren.

Welche Rolle spielt OPC UA im CT-Umfeld heute? Und würde uns das in der additiven Fertigung weiterbringen?

Schulenburg: Das ist ein super Punkt, den Herr Seifarth hier aufgegriffen hat. Wir begrüßen die Öffnung durch OPC UA sehr. Wir leben in einer vernetzten Welt und Produktion und da sind offene Schnittstellen das A und O, damit sich der Kunde am Markt ganz nach seinen Anforderungen bedienen kann. Wir können nicht von Industrie 4.0 sprechen, wenn wir nicht einmal die Datenschnittstellen offen legen. Aber wir müssen Kirche im Dorf lassen: Auch bei traditionellen Herstellungsverfahren werden Feedback-Loops noch nicht auf breiter Ebene genutzt.

Wenzel-Schinzer: Wir befassen uns in der Messtechnik ja bereits mit OPC UA, die erste Veröffentlichung unter der Ägide des VDMA wird es bald geben. Im Bereich CT ist das noch nicht der Fall. Aber ich bin auch kein Fan davon, immer auf den nächsten Standard zu hoffen und darauf, dass der die Probleme der letzten 20 Jahren löst. OPC UA wird so manches Problem sicher lösen. Aber im Grunde ist ein solcher Standard immer nur der kleinste gemeinsame Nenner, auf den sich Hersteller einigen. Wenn die Hersteller von 3D-Druckern wollen, können sie mit entsprechenden Filtern alle möglichen Datenformate erzeugen und weitergeben. Und ich denke, sie werden sich hier bewegen. Es wäre ja auch schon viel gewonnen, wenn die Hersteller zugeben würden, dass ihre additiven Verfahren – genauso wie andere Verfahren auch – nicht immer perfekte Bauteile hervorbringen. Dafür gibt es einfach zu viele Variablen entlang des Produktionsprozessen.

Normen und Standards – was fehlt da noch?

Seifarth: Die meisten Kunden haben Werksnormen, die wir erfüllen müssen. Im Wesentlichen richten wir uns nach der ISO 9001, um unsere Prozesse zu standardisieren und dokumentieren. Das aber ist mit großem Aufwand verbunden. Übergreifende Normen und Standards gibt es auch, doch beziehen sie sich größtenteils auf Metall und Kunststoff. Doch additive Verfahren mit Metall und Kunststoff unterscheiden sich deutlich voneinander. Nehmen Sie Pulver. Metallpulver zu klassifizieren ist relativ einfach. Bei Kunststoff ist man daran gescheitert. Es gibt heute keinen Sensor, mit dem der Feuchtigkeitsgehalt von PA 12 inline gemessen werden kann. Den bräuchte man, denn das Material zieht Feuchtigkeit.

Sperling: Im Metallbereich wurden in den vergangenen zwei Jahren erste Normen verabschiedet, mit denen die Anwender arbeiten können. Die decken noch nicht alle Details ab, aber geben zumindest Leitplanken. Die Autobahn, für die die Leitplanken gesetzt wurden, ist zugegebenermaßen heute noch sehr breit. Da gibt es sehr viele Fahrspuren. Insofern können den Anwendern nach wie vor Fehler unterlaufen. Das heißt, man muss sich auf alle Fälle intensiv mit seinen Prozessen befassen.

Müssen die Anwender ihre Erwartungen an Qualität additiver Bauteile zurückschrauben?

Schulenburg: Das erfolgt bereits. In der Anfangszeit wollten Anwender mit CT in einem 600 mm mal 600 mm großem Bauteil aus Titan oder Inconel Lunker in der Größe eines Mikrometers finden – ohne das Bauteil zu zerstören. Die Grundlagen der Physik lassen das aber nicht zu. Heute berücksichtigen die Anwender zum Teil Design for Inspectability, indem sie zum Beispiel größere Toleranzen ins Design einbeziehen.


Die Roundtable-Teilnehmer

  • Dr. Ira Effenberger, Gruppenleiterin Abteilung Bild- und Signalverarbeitung, Fraunhofer IPA
  • Dr. Heiko Wenzel-Schinzer, Geschäftsführer, Wenzel Group
  • Philip Sperling, Produktmanager Additive Manufacturing, Volume Graphics
  • Lennart Schulenburg, Geschäftsführer, Visiconsult
  • Christian Seifarth, Projektleiter F & E, Cirp


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