3D-gedruckte Bauteile sind laut der Fraunhofer-IPA-Wissenschaftlerin Dr. Simina Fulga-Beising die Hoffnungsträger von Industrie 4.0. „Sie vereinen Funktionalität, Flexibilität, Komplexität und Individualität“, ist sie überzeugt. Interessant ist das zum Beispiel für Prothesen oder Orthesen, die genau zum Körper des Trägers passen sollen. Hinzu kommt, dass der 3D-Druck als einziger Produktionsprozess heute schon vollständig digital gesteuert wird. Losgröße 1, die Industrie 4.0 anstrebt, lasse sich damit prinzipiell realisieren, bestätigt Fulga-Beising.
Bislang hat die additive Fertigung aber noch einen Haken: die Qualität. „Für die gesamte Qualitätssicherung gibt es hier noch keine fest etablierten Normen“, kritisiert Fulga-Beising, die auf diesem Gebiet promoviert hat.
Sicherheit und Reproduzierbarkeit lassen sich deshalb nicht garantieren. Gerade in Branchen wie zum Beispiel der Medizintechnik seien solche Vorgaben aber extrem wichtig. Hinzu kommt, dass fehlende Qualitätskontrollen während des Drucks hohe Kosten für das Unternehmen verursachen. „Der Drucker arbeitet völlig autark. Im schlimmsten Fall bemerkt man den Fehler erst, wenn das Bauteil fertig ist. Da ist die Maschine aber schon viele Stunden gelaufen, und es wurde viel Material und Energie verschwendet“, bemängelt die Forscherin. Den Vorgang von einem Techniker überwachen zu lassen, wäre angesichts der hohen Maschinenlaufzeit viel zu teuer.
Mit IQ4AP hat das Fraunhofer IPA ein System entwickelt, das die Qualität im 3D-Druck inline – also schon während des Drucks – automatisiert kontrolliert. Die Anwendung basiert auf einer Blackbox, die eine Kamera, Beleuchtung und Belüftung enthält. Schlüsseltechnologie ist das maschinelle Sehen. Ein Kamerasystem scannt die frisch aufgetragenen Pulverschichten und die gesinterten Schichten direkt im Prozess. Dann werden die Bilder mit mehreren Algorithmen geprüft.
„Grobe und feine Defekte werden sofort erkannt. Sogar die Merkmale der
gesinterten Schicht, wie zum Beispiel Längen oder Lochdurchmesser, können inline gemessen werden. Man erhält damit ein Bauteilqualitätsprotokoll auf Schichtebene“, so die Wissenschaftlerin. Der Maschinenbetreuer wird automatisch benachrichtigt und kann bei Abweichungen entscheiden, was zu tun ist. Auch
Toleranzen, zum Beispiel der maximale Abstand von Löchern, lassen sich festlegen.
Im Applikationszentrum wurde der Prototyp bereits realisiert
Der Prozess ist jetzt validierbar. „Mit industrieller Computertomographie konnten wir die Ergebnisse des Inline-Qualitätskontrollsystems bestätigen“, freut sich Fulga-Beising. Den Prototypen für das Inline-Qualitätskontrollsystem, der mit prozessintegrierter Sensormesstechnik am Beispiel des Selektiven Laser Sinterns (SLS) entwickelt wurde, haben die IPA-Wissenschaftler 2016 im Rahmen des Applikationszentrums Industrie 4.0 realisiert. Die Hardware kostet Anwender 2500 Euro, heißt es aus Stuttgart.
Praktisch sei, dass das System maschinenunabhängig ist und man es an jeden beliebigen 3D-Drucker andocken könne. „So ist keine Kühlung notwendig, um die Hardwarekomponenten gegen die hohen Temperaturen im Druckbereich zu schützen. Das System hat ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis und ist ohne aufwendige Maschinenzertifizierungen einsetzbar“, sagt Fulga-Beising.
Theoretisch lässt sich das Modul auch für den Metallbereich adaptieren. Ein entsprechendes Soft- und Hardwarekonzept hat Fulga-Beising in ihrer Dissertation entwickelt. Auch ist IQ4AP modular aufgebaut und lässt sich erweitern. Jetzt sucht das IPA nach Partnern, die das System testen und in gemeinsamen Projekten bedarfsgerecht integrieren wollen. Erste Anfragen gebe es schon.
Die Arbeit am Inline-Qualitätskontrollsystem ist aber noch lange nicht abgeschlossen. „Im nächsten Schritt soll das System durch maschinelles Lernen selbst beurteilen, was der Fehler für den Druckprozess bedeutet“, erklärt Fulga-Beising. Dazu gehört, nicht nur zu entscheiden, ob er gestoppt werden soll, sondern auch Rückschlüsse zu ziehen und das Verfahren zu optimieren. (op)
Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA veranstaltet die Fachzeitschrift Quality Engineering am 13. März 2018 das erste Forum „Qualitätssicherung in der additiven Fertigung“ – und zwar beim Fraunhofer IPA in Stuttgart.
Das Forum wird alle Qualitätsthemen entlang des Produktionsprozesses adressieren. Experten aus Industrie und Wissenschaft, aus Praxis und Forschung berichten dabei über ihre Erfahrungen und Projekte. Eine Begleitausstellung rundet das Forum ab.
Programm und Anmeldung:
quality-engineering.industrie.de/forum-qualitaetssicherung-bei- additiven-verfahren/
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