inspire: Messtechnik für 3D-Druck Bauteile und Prozesse qualifizieren

Von M. Spurek, A. Spierings und B. Revaz

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Um die Qualität generativ im Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) hergestellter Bauteile beurteilen zu können, müssen Prozessparameter überwacht sowie die Werkstoff­eigenschaften der produzierten Werkstücke, speziell die Porosität, geprüft werden.

Das im Prozessraum einer Anlage zum generativen Fertigen nach dem Verfahren Laser Bed Powder Fusion installierte Messsystem erfasst mit einem oder mehreren Sensoren schichtweise die Qualität der zuletzt aufgetragenen und geschmolzenen Schicht, ohne die Produktivität der Anlage zu mindern.
Das im Prozessraum einer Anlage zum generativen Fertigen nach dem Verfahren Laser Bed Powder Fusion installierte Messsystem erfasst mit einem oder mehreren Sensoren schichtweise die Qualität der zuletzt aufgetragenen und geschmolzenen Schicht, ohne die Produktivität der Anlage zu mindern.
(Bild: inspire AG)

Der Markt für die additive Fertigung von Bauteilen aus Metall, insbesondere im Verfahren Laser Powder Bed Fusion hergestellt, verzeichnet seit Jahren ein stetiges Wachstum, da Werkstücke mit komplexen Geometrien und damit überlegener Funktionalität oder Eigenschaften für spezifische Anwendungen hergestellt werden können. Eine grosse Herausforderung für Unternehmen, die Laser Powder Bed Fusion (LPBF) in ihrer Produktion einsetzen möchten, besteht jedoch in der Beherrschung von Prozessschwankungen, welche sich insbesondere in einem gewissen Anteil an Restporosität und damit reduzierter Bauteilqualität äussern kann. Dies erfordert einerseits die Entwicklung von anwendungsspezifischen Prozessparametern und andererseits eine aufwendige Materialprüfung der additiv gefertigten Teile (zum Beispiel mit Computertomografie) innerhalb der Qualitätsprüfung in der laufenden Produktion.

Zerstörungsfrei prüfen

Im Rahmen einer langjährigen, von Innosuisse und dem Swiss Space Office geförderten, Kooperation entwickelt das innovation centre for additive manufacturing der inspire AG gemeinsam mit dem Schweizer Unternehmen AMiquam SA Lösungen für die In-situ-Qualitätsprüfung additiv gefertigter Metallbauteile sowie die Qualitätsüberwachung des additiven Fertigungsprozesses. Die daraus entstandenen und inzwischen industriell erprobten Produkte sind konform den Normen ISO-15548 und ASTM-3166 zerstörungsfreie Prüfinstrumente, welche schichtweise mittels Wirbelstromprüfung die Integrität der additiv gefertigten Metallteile in ausgewählten Bereichen während des Fertigungsprozesses messen. Das auf den Beschichter einer LPBF-Anlage montierte Messsystem misst dabei schichtweise die Qualität der zuletzt hergestellten Materialschicht, wodurch der eigentliche Fertigungsprozess, respektive die Produktivität, nicht beeinflusst wird. Das derzeit zur Verfügung stehende System ist dabei in der Lage, über einzelne beziehungsweise wenige Sensoren streifenweise die volle Breite des Baufeldes abzudecken.

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Vielfältige Parameter überwachen

Die Mess- und Prüftechnik ermöglicht im laufenden Prozess eine quantitative Bewertung der Bauteilqualität und damit eine Reduzierung des Aufwands für nachfolgende Bauteilprüfungen. Die lokale Materialdichte wird bei einer Genauigkeit von etwa 0,1 Prozent gemessen. Die Abmessungen der aufgebauten Bauteile werden auf 20 µm genau gemessen. Mit Outputvariablen wird die Prozessstabilität überwacht und zertifiziert. Das ermöglicht eine statistische Prozesskontrolle und damit unmittelbar die Berechnung der Prozessrobustheit (Prozessfähigkeit Cpk). Trends lassen sich identifizieren. Auf Basis der Daten zur statistischen Prozesskontrolle kann man Prozesse auf Ursache und Wirkung analysieren. Zudem lassen sich daraus Prozessparameter optimieren.

Dreifach bewerten

Aufgrund der in der Norm ISO/ASTM-52930:21 definierten kritischen Outputvariablen für die additive Fertigung metallischer Produkte, wie beispielsweise Porosität oder Bauteilabmessung, ist die verwirklichte Mess- und Prüftechnologie ein ideales Werkzeug zur Ergänzung des Qualitätsmanagementsystems auf den drei Ebenen:

  • IQ: Installationsqualifikation für AM-Anlagen, zur Sicherstellung, dass die Spezifikationen des Anlagenherstellers erreicht werden
  • OQ: Funktionale Qualifikation des additiven Prozesses
  • PG: Leistungsqualifikation zur Sicherstellung der individuellen Qualität der hergestellten Produkte

Wirtschaftliches Prüfverfahren

Die entwickelte In-Prozess-Qualitätsprüfung mittels Wirbelstrom ist ein performantes Werkzeug, welches in der Industrie dazu beiträgt, die Qualität von additiv gefertigten Teilen anhand von kritischen Outputvariablen wie Materialdichte und Bauteildimensionen auf quantitativer Ebene kostengünstig zu überwachen. Dabei hat die Technologie einen entscheidenden Vorteil gegenüber anderen Technologien zur Prozessüberwachung. Die zugrunde liegende Wirbelstromprüfung ist ein standardisiertes zerstörungsfreies Prüfverfahren und die gemeinsam von AMiquam und inspire entwickelten Produkte sind konform zu den entsprechenden Standards. Damit können von entsprechend qualifizierten Personen (NDT Inspektor Level II) Prüfzertifikate auf Basis der erhobenen Messdaten erzeugt werden, womit die Prüfkosten an fertig hergestellten Bauteilen reduziert werden können. - kmu -

SMM

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