Mehr Qualität für Additive Fertigung

Mit Ultraschall sollen robustere, langlebigere und preiswertere DED-Bauteile entstehen. Über maßgeschneiderte feinkörnige Mikrostruktur beim Druck mit DED-Verfahren mit Laser (draht- und pulverbasiertem Laserauftragschweißen) versprechen sich Forschende bessere mechanischen Eigenschaften und eine höhre Korrosionsbeständigkeit. Innerhalb von drei Jahren will das Team aus dem Forschende aus den Fraunhofer-Instituten IWS und IAPT sowie dem RMIT Centre for Additive Manufacturing im australischen Melbourne das Projekt „Ultragrain“ zur Marktreife bringen.

Um gezielt die innere Kornstruktur der Bauteile und damit ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen, senden die Forschenden während des Druckprozesses beispielsweise feine Vibrationen mit einer präzise definierten Frequenz durch das entstehende Bauteil. Der Ultraschall verhindert, dass sich säulenartige Strukturen bilden. Denn deren einseitige Ausrichtung sei ein Grund für schlechtere mechanische Leistungen. Unter Ultraschallwirkung würden sich feinere, rund geformte Mikrokörner bilden, die an den bearbeiteten Stellen nahezu gleichmäßig verteilt sind. Diese equiaxiale Ausrichtung soll die mechanische und chemische Belastbarkeit der 3D-gedruckten Werkstücke erhöhen.

Weil sich der Ultraschall gezielt steuern lässt, können die Bauteil-Designer zum Beispiel genau vorgeben, an welchen Stellen das Werkstück großen Belastungen ausgesetzt sein wird. Dort können die Entwickler eine ultraschall-gesteuerte Kornstruktur einplanen, aber auch entscheiden, an welchen Stellen sie zu Gunsten einer schnelleren Produktion darauf verzichten.

Der Auftragsfertiger Protolabs führt eine Machbarkeitsanalyse für die Fertigung von Designs für 3D-gedruckte Teile ein. Mit dieser DFM-Analyse (Design for Manufacturability) wissen laut Protolabs Anwender innerhalb von wenigen Sekunden, ob eine Fertigung möglich ist. Bekannt ist die Analyse bei Kunden, die das CNC- oder Spritzgussangebot des Auftragsfertigers nutzen.

Die DFM-Analyse soll verhindern, dass Ingenieure mit ihrem Auftrag fortfahren, nur um Stunden später festzustellen, dass ein Problem aufgetreten ist. Bei der Behebung dieser Probleme, geht oftmals viel Zeit verloren und während der überwiegende Teil der Design-Herausforderungen gelöst werden kann, gibt es Fälle, in denen Benutzer dennoch weitere Unterstützung benötigen, erklärt Protolabs.

Mehrere mitteldeutsche Einrichtungen und Unternehmen haben sich zusammengeschlossen, um die Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung zu verbessern. Dazu zählen Forschungspartner wie die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Halle, das Fraunhofer IWMS, die Gesellschaft für Medizin, Biologie und Umwelt (GMBU) sowie die Unternehmen Sonotec, ECH Elektrochemie und Polymerservice. Unter dem Namen „AddiQ“ wollen sie gemeinsam qualitätssichernde Maßnahmen entlang der gesamten Wertschöpfungskette der Additiven Fertigung entwickeln.

Eine fehlende standardisierte Qualitätssicherung in der additiven Prozesskette hemmt die industrielle Anwendung und Skalierung der Materialextrusion (MEX; Kunststoffverfahren mit Filament oder Granulat), so das Fraunhofer IPA in einer Pressemitteilung. Zum Beispiel gibt es kein einheitliches Verständnis davon, welche Qualitätsmerkmale den größten Einfluss auf die Bauteilqualität haben und welche Prüfverfahren zur Messung dieser Merkmale geeignet sind.

Mit dem Leitfaden „Qualitätssicherung in der additiven Materialextrusion“ wollen das Fraunhofer IPA und der Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth die Situation verbessern. Er führt Handlungsempfehlungen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Qualität eines in einem MEX-Verfahren gedruckten Bauteils an. Zudem wird beschrieben, welche Teilprozesse entlang der Prozesskette einen relevanten Einfluss auf die Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit haben. Diese Teilprozesse bilden die Basis für ein Modell zur Beurteilung der Bauteilqualität. Neben der Erfassung der Qualität gehört dazu auch der Qualitätssicherungsprozess.