3D-Druck,EOS

Eine verlässliche Qualitätskontrolle ist auch beim 3D-Druck von enormer Bedeutung. - Bild: EOS

| von Dr. Dominik Hawelka, Product Manager Monitoring bei EOS

Der Markt für den industriellen 3D-Druck hat in den letzten Jahren klar an Dynamik zugelegt. Lange fand die Technologie vor allem zum Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen Einsatz, wo sie die Produktentwicklung für Unternehmen erheblich beschleunigte. Heute hat die additive Fertigung (AM) einen Reifegrad erreicht, der es Kunden ermöglicht, Komponenten und Endteile in Serie herzustellen.

Doch man muss differenzieren, denn es etablieren sich unterschiedliche AM-Technologien für unterschiedliche Anwendungen. Für Serienanwendungen geeignet sind insbesondere Pulverbettverfahren, sowohl bezüglich Bauteilkosten, Geschwindigkeit als auch Reproduzierbarkeit. Das führende Pulverbettverfahren wiederum ist das Laser-Sintern. Dabei schmelzen ein oder mehrere Laser pulverförmiges Metall- oder Kunststoffmaterial Schicht für Schicht auf – so entsteht aus digitalen 3D-Konstruktionsdaten ein reales Bauteil. Wesentliche AM-Vorteile sind die hohe Designfreiheit und die Möglichkeit der Funktionsintegration.

Wandel durch Serienfertigung

Mit zunehmendem Einsatz in der Serienproduktion werden auch verlässliche Qualitätskontroll- und Qualitätssicherungssysteme im 3D-Druck immer wichtiger. Vorreiter in der AM-Anwendung ist die Luftfahrtindustrie und gerade dort gelten für die Produktion von Komponenten besonders strenge Kriterien für die Qualitätssicherung. Da diese Anwendungen häufig aus Metall sind, ist hier der Bedarf besonders groß.

Doch noch vor wenigen Jahren gab es keine etablierten in-situ Prüfverfahren für die additive Fertigung. Bei Metallbauteilen griff man auf zerstörungsfreie und nachgelagerte Verfahren wie Farbeindringprüfung, Röntgen und Computertomographie (CT) zurück. Zwar ermöglichen diese konventionellen Prüfverfahren in Einzelfällen die Zertifizierung von Bauteilen, doch weisen additiv gefertigte Bauteile in der Regel eine hohe Komplexität auf. Diese führt dazu, dass konventionelle nachgelagerte Prüfverfahren an ihre Grenzen kommen. Relevante Defekte können nur mit einem sehr hohen Aufwand nachgewiesen werden, das ist kostenintensiv und häufig nicht ausreichend. Die Qualitätssicherungskosten übersteigen die Herstellungskosten nicht selten um ein Vielfaches.

Eine Antwort liefern automatisierte in-situ Monitoring-Systeme, die den 3D-Druckbauprozess mit Metallwerkstoffen in Echtzeit überwachen.

Software EOSTATE Exposure OT
Ansicht der Software EOSTATE Exposure OT. - Bild: EOS

Qualitätskontrolle in Echtzeit

Es gibt verschiedene Verfahren zur Überwachung. Die weltweit erste kommerzielle Lösung zur optischen Tomographie ist EOSTATE Exposure OT, bestehend aus Soft- und Hardware. Mit einer sCMOS-Industriekamera überwacht die automatisierte Lösung von EOS das gesamte Baufeld des 3D-Druckers und misst die qualitätsrelevanten Wärmeemissionen in Echtzeit.

Die automatische Analyse durch EOSTATE Exposure liefert eine Liste mit gefunden Indikationen, die eine Anomalie im Bauteil darstellen könnten. Die Auswertung durch die Software ermöglicht objektive Ergebnisse, unabhängig vom Benutzer. Damit dabei nur für den Anwender relevante Indikatoren anzeigt werden, können die der Software zugrunde liegenden Analysealgorythmen den eigenen Anforderungen angepasst werden. Das Ergebnis: Statt mehrere tausend Bauteilschichten per Hand auszuwerten, muss der Qualitätsingenieur lediglich die vom System gefundenen Indikationen bewerten.

Dabei ist die Benutzeroberfläche der Software-Lösung so strukturiert, dass sie den Bediener intuitiv durch die einzelnen Schritte des Datenhandlings führt. Das erleichtert die Arbeit, sorgt für zügige Resultate und ermöglicht auch Nicht-Fachleuten das einfache Auswerten der erfassten Bauprozessdaten.

Live-Monitoring des Bauprozesses
MTU Aero Engines setzt bei der Prüfung von AM-Bauteilen auf das schichtweise Live-Monitoring des Bauprozesses. - Bild: MTU Aero Engines

Praxisbeispiel: 3D-Druck bei MTU Aero Engines

Entwickelt hat EOS die Lösung EOSTATE Exposure OT in Kooperation mit MTU Aero Engines, dem führenden deutschen Triebwerkshersteller. Das Unternehmen setzt Exposure OT selbst erfolgreich in der Prozessentwicklung und der Qualitätssicherung ein – konkret in der additiven Serienfertigung von Boroskopaugen für die neueste Generation von Getriebefan-Triebwerken des Airbus A320neo.

Entscheidend war der Nachweis, dass mögliche Fehlstellen zuverlässig detektiert werden. Im Quervergleich zwischen EOSTATE Exposure OT mit der konventionellen Durchstrahlungsprüfung (RT), der CT sowie zerstörender Prüfverfahren wurde nachgewiesen, dass die Erfassungswahrscheinlichkeit (Probability of Detection / PoD), vor allem von Bindefehlern, höher ist als bei den anderen zerstörungsfreien Verfahren. Im Klartext bedeutet das: Jeder Fehler, der mit RT und CT-Scans erkannt wird, ist auch in EOSTATE Exposure OT eindeutig als Indikation erkennbar.

EOSTATE Exposure OT kann sicher feststellen, dass ein Teil nicht einwandfrei ist. Dadurch ist MTU Aero Engines in der Lage, in der Serienproduktion der Boroskopaugen komplett auf die nachgelagerte Prüfung durch Röntgen und CT zu verzichten. Das bedeutet einen immensen wirtschaftlichen Vorteil. Mit statistischer Prozesskontrolle kann zudem die Auswertung der Ergebnisse deutlich vereinfacht werden: Schon nach wenigen qualitativ einwandfreien Baujobs kann die Kurve der noch tolerierbaren Abweichungen sehr zuverlässig festgelegt werden und mitlaufende Prozessproben können somit ersetzt werden. Nur bei Abweichung wird dann genauer geprüft.

Fazit

EOSTATE Exposure OT bietet die Grundlage für nachweisliche Reproduzierbarkeit, erhöht die Vergleichbarkeit zwischen Bauteilen sowie Bauaufträgen und ermöglicht die kosteneffiziente Qualitätssicherung, auch in der Serienanwendung. Vorteile, die nicht nur für die Luftfahrt relevant sind – auch Medizin, Werkzeugbau, Turbomaschinen und Auftragsfertiger können als Industrien und Anwendungsgebiete profitieren.

Mehr erfahren: www.eos.info