In Zusammenarbeit mit der Siemens AG, Power and Gas, untersucht die BAM die Qualität von additiv gefertigten Gitterstrukturen.
Quelle: BAM
Die Anwendung additiv gefertigter Bauteile und Produkte muss sicher und zuverlässig sein. Da die Verfahrenstechnik noch jung ist, fehlen bislang allerdings Erkenntnisse, wie die Qualität der Teile beurteilt werden kann. Insbesondere bei der additiven Fertigung sicherheitsrelevanter Teile für industrielle Anwendungen oder für die Anwendung von Produkten in der Medizintechnik ist eine zuverlässige Qualitätsbeurteilung eine notwendige Voraussetzung für die breite Anwendung in der Praxis. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) nutzt unter anderem ihre Expertise im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung, um diese offenen Fragen zu beantworten. Auf der Hannover Messe 2019 erklären BAM-Experten anhand verschiedener Forschungsprojekte, welche Rolle die Computertomographie für die Qualitätsbewertung additiv gefertigter Teile spielt.
"Wir entwickeln und bewerten an der BAM zerstörungsfreie Prüfverfahren für den Nachweis von Strukturen und Fehlern im Mikrometerbereich und darunter", erklärt Prof. Dr. Giovanni Bruno. "Diese Kompetenzen können wir sehr gut für die Qualitätsbewertung von additiv gefertigten Materialien und Produkten nutzen." Zum Einsatz kommen dabei höchstaufgelöste bildgebende Röntgenmethoden, also Computertomographie, und eine quantitative 3D-Charakterisierung der Mikrostruktur des Materials.
Wie altern additiv gefertigten metallische Werkstoffe und Komponenten?
Im multidisziplinären Projekt AGIL untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BAM die Materialeigenschaften von additiven und konventionell hergestellten Proben über die gesamte Lebensdauer: vom Rohstoff bis zum mechanischen Versagen. Sie kombinieren dazu verschiedene Charakterisierungstechniken und Simulationen. Die Computertomographie spielt vor allem für die Defekterkennung eine zentrale Rolle: Defekte innerhalb der Bauteile können zerstörungsfrei vor und nach mechanischen Belastungen untersucht und deren Auswirkungen auf die Bauteilsicherheit bestimmt werden.
„Unser Ziel ist es, den Einfluss von Materialeigenschaften und Defekten auf die Lebensdauer von additiv gefertigten Bauteilen zu verstehen und deren Zuverlässigkeit vorherzusagen“, erklärt Giovanni Bruno. „Das ist insbesondere für sicherheitsrelevante Teile wichtig und eine entscheidende Voraussetzung für die breite Anwendung additiver Fertigungsverfahren in der Praxis.“
Mehr zum Projekt AGIL: Vom Pulver zum mechanischen Versagen
Auf dem Weg zu höherer Energieeffizienz von Gasturbinen
In Zusammenarbeit mit der Siemens AG, Power and Gas, untersucht die BAM die Qualität von additiv gefertigten Gitterstrukturen. Die würfelförmigen Gitterstrukturen werden in industriellen Gasturbinen eingesetzt, um deren Wirkungsgrad zu steigern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BAM betrachten unter anderem mittels der Computertomographie das Verhalten der metallischen Gitterstrukturen im Schadensfall. Dazu werden die Würfel zusammengedrückt, also das Volumen verdichtet, und beobachtet, wie sich die Gitterstruktur dreidimensional verformt.
"Mit dem Verfahren der Computertomographie können wir uns ein umfassendes Bild von den Eigenschaften eines Bauteils machen und die Schwachstellen identifizieren", so Giovanni Bruno. "Das ist ein wichtiger Bestandteil für die Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile."
Additive Fertigung von maßgeschneiderten Medizinprodukten
Nicht nur für industrielle Anwendungen, sondern auch in der Medizintechnik spielen additive Fertigungsverfahren eine immer größere Rolle. Produkte wie beispielsweise Kieferknochen-Implantate müssen individuell auf den Patienten angepasst werden - und hier liegt die große Stärke der additiver Fertigungsverfahren.
Im Projekt MetAMMI arbeitet die BAM gemeinsam mit europäischen Projektpartnern daran, Verfahren zu entwickeln, mit denen die Zuverlässigkeit additiv gefertigter Standardmedizinprodukte und patientenspezifische Implantate beurteilt werden kann.
Auch hier bringen Experten der BAM ihre Kompetenzen im Bereich der zerstörungsfreien Prüfungen ein. Sie sind an der Entwicklung von Methoden und Normen beteiligt, die für die reproduzierbare Prüfung additiv gefertigter Teile benötigt werden. Das Verfahren der Computertomographie spielt eine zentrale Rolle, weil es einen Vergleich zwischen der geplanten und der tatsächlich additiv gefertigten Struktur ermöglicht. So können Abweichungen erkannt und Implantate exakter an die Bedürfnisse des einzelnen Patienten angepasst werden.
Mehr zum Projekt Metrology for additively manufactured medical implants