Zukunft additiver Fertigung

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3. Genauigkeit und Qualität

Urformende Fertigungsverfahren sind aufgrund des Erstarrungsprozesses genauigkeitsbegrenzt. Die nachfolgende Tabelle gibt die Einflussparameter auf die Genauigkeit wieder. Wichtig ist zu verstehen, dass nicht der Laser selber das Werkzeug ist, sondern der damit erzeugte Schmelzepool, womit eine Reihe heute praktisch unberücksichtigt bleibender Einflussparameter auf die Genauigkeit hinzukommen, nämlich z. B. das Absorptionsverhalten durch das Pulver oder die Abschattung des Lasers durch Rauchentwicklung.

Die Tabelle zeigt auf, dass auf professionellen Anlagen die Positionierung von Laser zu Werkstück untergeordnete Bedeutung hat, die Diskretisierung der Geometrie, Schichtdicke und Korngrössenverteilung jedoch eine gewisse Bedeutung haben. Eine Verringerung der Diskretisierungsfehler geht vor allem zu Lasten der Produktionszeit. Der überragende Einfluss auf die Genauigkeit stammt aber aus den Abkühlbedingungen. Durch die ungleichförmige Erwärmung und Abkühlung von hohen Temperaturen, z. B. bei Stählen von bis 1536 °C, entstehen Verzüge, die vom Material, der Bauteilgeometrie und der Belichtungsstrategie abhängen. Zur Steigerung der Genauigkeit braucht es daher vor allem eine Beherrschung der Eigenspannungen und Verzüge. Das kann wiederum durch die Belichtungsstrategie erfolgen, durch die parallele Bearbeitung mit mehreren Energiequellen, wie z. B. zwei Laserstrahlen oder auch durch nachgeschaltete Prozesse. Eine Vorhersage der Verzüge und damit die Möglichkeit, diese iterativ zu verringern, verlangt nach einer Prozessmodellierung oder einem Expertensystem. Erste Ansätze dazu finden sich in der Literatur, doch ist eine zuverlässige Aussage für geometrisch komplizierte Teile, für die AM schliesslich besonders geeignet ist, bisweilen nicht möglich. Existierende physikalische Modelle leiden an sehr langen Rechenzeiten, Metamodelle lassen es bisher an Genauigkeit fehlen.

Auch über die Genauigkeit hinaus benötigen industrielle Prozesse Reproduzierbarkeit und demnach Qualitätssicherungssysteme. Hier haben die AM-Methoden vom Rapid Prototyping her kommend ebenso noch Entwicklungspotential. Dabei darf nicht vergessen werden, dass die Zahl der Prozessparameter deutlich höher ist als bei den Zerspanungsprozessen, da beispielsweise durch den wesentlichen Einfluss der Abkühlbedingungen die Position im Arbeitsraum der Maschine bereits von Bedeutung sein kann.

Da eine der Stärken von AM die Herstellung von Einzelstücken ist, liegt der Schlüssel zum Erfolg bei Qualitätsmanagementsystemen für AM in der indirekten Überwachung, d. h. im Prozessmonitoring. Zwar können wie bei Gussverfahren Probekörper pro Bau mit gefertigt und anschliessend zerstörend analysiert werden, doch getreu dem Motto «Qualität wird produziert und nicht geprüft» bedarf es zur Vermeidung von Ausschuss dennoch der Prozessüberwachung. Probekörper können jedoch zur Überwachung der geometrischen Abbildungstreue des Prozesses herangezogen werden, um an diesen z. B. die Masshaltigkeit in den verschiedenen Richtungen oder die erreichbare Konturfeinheit als Wände und als Lücken (Bild 5 zeigt einen Vorschlag für ein solches Testteil) zu prüfen.

Eine Vielzahl von Messgrössen bieten sich zur Überwachung der Prozesse an. Diese können etwa bauteilbezogen, ortsbezogen und schichtweise mitgeschrieben werden und geben ein repräsentatives Abbild der Vorgänge auf der Maschine. Ausserdem bietet es sich an, durch die Vereinigung der gesammelten Daten aus verschiedenen Messaufnehmern das Bild des Prozesses zu komplettieren. Generell eignen sich alle Signale, die auch zur Überwachung von Schweissprozessen eingesetzt werden und dort bereits die nachträglichen Bauteilprüfungen auf ein Minimum reduzieren helfen. Dies sind Beobachtungen des Keyholes, Wärmestrahlung der abkühlenden Naht, akustische Signale über Luft- oder Körperschall und Beobachtung der Geometrie des aufgetragenen Materials. Speziell moderne Kamera- und Bildverarbeitungstechniken ermöglichen, nach jeder Schicht ein Bild aufzunehmen und die Kontur und Fehler herauszufiltern, womit ein mit einem Tomogramm vergleichbarer Datenbestand mit sehr viel geringerem Aufwand und gleicher oder gar besserer Aussagekraft entsteht. Bild 6 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten der Prozessbeobachtung. Zu der Messgrössenaufnahme gehört allerdings die passende Auswertung, die am Ende eine Klassifizierung in Gut- und Schlechtteil vornehmen muss, und zwar unabhängig von der zu fertigenden Bauteilgeometrie.

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