28.01.2019

Schmelzspur im Pulverbett einer Laserstrahlschmelzanlage

Schmelzspur im Pulverbett einer Laserstrahlschmelzanlage (Laser Beam Melting, LBM)

Quelle: BAM

ProMoAM - Verfahrensentwicklung für das Prozessmonitoring in der additiven Fertigung

Manchmal gleicht die Arbeit von Materialwissenschaftlern der von Detektiven. Auch sie versuchen, Fälle zu lösen. Warum hält ein Bauteil den Belastungen wie erwartet stand, ein anderes des gleichen Typs versagt jedoch vorzeitig, obwohl es mit der gleichen Technik, ja sogar mit derselben Maschine hergestellt wurde? Wenn es sich dabei um bewährte Herstellungstechniken wie etwa dem Gießen, Stanzen oder Schmieden handelt, können die Fachleute von Jahrzehnte langer Erfahrung profitieren. Dieses Wissen nützt ihnen jedoch bei ganz neuen Fertigungstechniken wenig. Dann brauchen sie neben ihrem Fachwissen vor allem Ideen und eine gute Spürnase.

Additive Fertigung, das ist eine relativ junge Technik, die Objekte nach dem Vorbild eines Computermodells nach und nach entstehen lässt. Eine Schicht Pulver wird aufgetragen und mit der darunter liegenden Schicht verschmolzen. Dies wiederholt sich, ein Bauteil wächst heran. Kunststoffe, Keramiken oder Metalle werden heute bereits additiv verarbeitet. Gerade bei kleinen Stückzahlen oder besonders komplizierten Objekten aus einem Stück können die neuen Verfahren punkten. Aber nicht immer stimmt die Qualität. Bauteile gelten jedoch nur dann als sicher, wenn sie keine Defekte haben oder vorhandene Defekte eine bestimmte Größe nicht überschreiten. Zu große Defekte müssen rechtzeitig aufgespürt werden können. Noch fehlt es an speziell angepassten Prüfverfahren, insbesondere zur Prüfung sehr komplexer Bauteile. Erst wenn es diese gibt, können additiv gefertigte Bauteile in Zukunft bedenkenlos in sicherheitsrelevanten Bereichen wie technischen Anlagen und Motoren verbaut werden. Dieses Problem gilt es zu knacken. Ein paar kreative Fachleute der BAM stellen sich der Aufgabe.

Gunter Mohr an der Laserstrahlschmelzanlage zur additiven Fertigung von Bauteilen

Gunther Mohr, Doktorand im Fachbereich Schweißtechnische Fertigungsverfahren, an der Laserstrahlschmelzanlage beim Abrüsten der Anlage

Quelle: BAM

Fehler aufspüren, bevor sie im Bauteil verschwinden

Im BAM-Projekt ProMoAM möchten Experten und Expertinnen verschiedener Fachrichtungen der BAM Fehler schon während der Fertigung aufspüren. Es geht ihnen um die additive Fertigung mit Metallen. Dr. Christiane Maierhofer und Dr. Simon Altenburg vom Fachbereich Thermografische Verfahren beobachten zusammen mit dem ProMoAM-Projektteam additive Herstellungsprozesse und Produkte mit verschiedenen Prüfmethoden. Sie spüren Defekte an der Oberfläche auf, bevor diese später im Bauteil verschwinden. Das ehrgeizige Ziel: „Das Objekt soll während des Prozesses so zuverlässig überwacht werden, dass man ihm am Ende vertrauen kann und keine weiteren nachträglichen Prüfungen mehr erforderlich sind“ so Dr. Altenburg. In manche Proben bringen die Experten und Expertinnen sogar gezielt Defekte ein, um zu erfahren, ob und wie die verschiedenen Prüfmethoden diese anzeigen. Dabei machen sie sich die Arbeitsweise der additiven Fertigung zunutze: Jede aufgebrachte Schicht bildet für eine kurze Zeit die Oberfläche des entstehenden Objekts, bevor es mit einer neuen Schicht überdeckt wird. Diese temporäre Oberfläche kann im Fertigungsprozess mit Verfahren der Oberflächentechnik überwacht werden, z. B. mit Thermografie, mit optischer Tomografie, Emissionsspektroskopie oder dem Wirbelstromverfahren. So wollen die Fachleute herausfinden, welche Methoden sich für das Auffinden von Defekten besonders gut eignen. Die Zwischenergebnisse für den Einsatz der Thermografie sind bereits vielversprechend: Mit Spezialkameras können die Wissenschaftler den Entstehungsprozess eines Bauteils schon genau verfolgen. Die Bilder lassen sich auswerten und machen Abweichungen sichtbar. Auch erste Messungen von Partikeln im Bauraum und in der Umgebungsluft verliefen erfolgreich und ermöglichen zuverlässige Aussagen zur Umweltverträglichkeit der Herstellungsprozesse. Es ist noch viel zu tun, aber denkbar ist durchaus, später der Maschine während der Produktion ein Feedback zu geben, so dass Anpassungen vorgenommen werden können.

Was alles schiefgehen kann

Zahlreiche Einflussgrößen spielen bei der additiven Fertigung eine Rolle, z. B. die Beschaffenheit des Pulvers, die Art und Weise, wie die Maschine es verteilt, die Höhe der einzelnen Schichten, das Prozessgas, die Temperatur beim Aufschmelzen oder die Zeit, die eine neue Schicht zum Abkühlen hat, bevor sie mit einer weiteren Schicht Pulver bedeckt wird. Dabei kann es leicht zu versteckten Defekten kommen. Es können Risse oder Hohlstellen entstehen, auch instabile Mikrostrukturen und ungewollte Spannungen. Wenn sie an einer kritischen Stelle liegen, können schon kleine Defekte dazu führen, dass die Teile unbrauchbar werden. Je früher ein Defekt entdeckt wird, desto besser. Dann kann der Hersteller die Produktion gegebenenfalls vorzeitig abbrechen und Kosten sparen. Genau dies aber ist das Problem: Die Qualitätssicherung während des Fertigungsvorgangs. Heute prüfen die Hersteller ihre additiv gefertigten Teile oft erst nach der Fertigstellung. Das ist aufwändig und teuer und häufig werden nicht alle Defekte gefunden.

Thermografische Momentaufnahme des Schmelzbades und  optische Tomografie

Optische Messverfahren: Thermografische Momentaufnahme des Schmelzbades (links), optische Tomografie (rechts)

Quelle: BAM, Fachbereich Thermografische Verfahren

Innere Schäden sichtbar machen

Die Expertinnen und Experten der BAM setzen auch auf Kombinationen von Messverfahren, die sie teilweise simultan laufen lassen. Sie erwarten, dass sich bestimmte Prüfverfahren gut ergänzen. Zum Gegenprüfen ihrer Resultate verwenden sie die Computertomografie und Ultraschall, beides Methoden, mit denen man Objekte nach ihrer Fertigstellung auf verborgene Schäden untersuchen kann. Wenn Messergebnisse nicht aussagekräftig sind, müssen die Fachleute Prüfmethoden weiter verfeinern oder diese verwerfen. Die Datenauswertung erfolgt Schicht für Schicht. Für jede Methode entsteht so ein ‚dreidimensionaler‘ Datensatz des Bauteils. Die Datensätze werden zurzeit noch nach der Fertigung mit verschiedenen Methoden ausgewertet und verglichen. Das produziert sehr große Datenmengen. Perspektivisch kann die Arbeit der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aber dazu führen, dass die Auswertung in Echtzeit durchgeführt wird und nur noch zwei oder drei Kenngrößen gespeichert werden, um die Datenmenge zu reduzieren. „Wer weiß,“ meint Dr. Altenburg, „vielleicht wird das der Inhalt eines Folgeprojekts“.