Forschung & Entwicklung -

Qualitätssicherung in der additiven Fertigung

Entscheidend dafür, ob sich die additiven Technologien mit Lasern in der Serienproduktion durchsetzen, ist die gleichbleibend hohe Qualität der gefertigten Komponenten. Diese lässt sich nur dann gewährleisten, wenn die Maschinen wiederholbar immer gleiche Ergebnisse liefern.

Schon seit einigen Jahren kooperiert das Fraunhofer IAPT mit MKS Instruments und verwendet Ophir-Messtechnik. Das für die Anwendung in der additiven Fertigung entwickelte BeamWatch AM wird von den Laserexperten des Instituts genutzt. Es basiert auf der berührungslosen Vermessung des Laserstrahls mittels des Effekts der Rayleigh-Streuung und liefert schnell umfangreiche Messergebnisse hinsichtlich Laserkaustik und -leistung.

Laserstrahl und Qualität

Der Ansatz der Experten geht in Richtung präventive Messungen und Big Data: Die hohe Komplexität des AM-Prozesses (Additive Manufacturing) mit über hundert potenziellen Einflussgrößen erfordert deren systematische Überwachung und Sammlung. Anschließend lassen sich die Daten mit künstlicher Intelligenz und Six-Sigma-Strategien interpretieren. Ziel der Arbeitsgruppe ist es, solche neuen Technologien und Verfahren zu entwickeln, die AM-Prozesse weiter optimieren. Diese Vorabprüfungen sollen sehr teure nachträgliche Tests wie µCT-Scans oder destruktive Testmethoden weitestgehend überflüssig machen.

Allerdings wurde aus Sicht der Experten des Fraunhofer IAPT bisher der Einfluss des fokussierten Laserstrahls auf die Fertigungsqualität vernachlässigt. Da die Laserquellen selbst zuverlässig und prinzipiell – im Gegensatz zu Werkzeugen der klassischen Metallbearbeitung – weitestgehend verschleißfrei arbeiten, ließ man sie in den Betrachtungen außen vor. Untersuchungen am Fraunhofer IAPT zeigen aber, dass auch die Strahlquellen im Laufe der Zeit alterungsähnliche Veränderungen erfahren, dass die Ausgangsleistung oder die Strahlqualität abnimmt und es im Strahlengang immer wieder zu Fokusverschiebungen oder Leistungsverlusten kommt. Die Gründe dafür sind unter anderem:

  • Veränderungen in der Positionierung,
  • Verschleiß optischer Komponenten,
  • Verschmutzung oder Beschädigung des Schutzglases.

Bei vielen dieser Einflussgrößen sind die Veränderungen so gering, dass sie nicht direkt erkannt werden. Nur eine Messung des fokussierten Laserstrahls auf der Bearbeitungsebene kann prüfen, ob alle Parameter den Spezifikationen tatsächlich entsprechen. Wird erst nachträglich festgestellt, dass der Laserstrahl bei einem Experiment nicht die geforderten Parameter eingehalten hat, müssen alle Versuche erneut durchgeführt werden. In Produktionsumgebungen könnte dies im schlimmsten Fall zur Auslieferung eines fehlerhaften Teils an den Kunden führen. Regelmäßig in kurzen Intervallen durchgeführte berührungslose Messungen des Laserstrahls erweisen sich in beiden Fällen als deutlich günstiger. Bei Unternehmen, beispielsweise im Flugzeugbau, die für die Zulassung ihrer additiv gefertigten Teile die akribische Qualitätssicherung im Prozess nachweisen müssen, sind solche Maßnahmen unerlässlich.

Abweichungen und Folgen

Welche Auswirkungen Abweichungen des Laserstrahls nach sich ziehen, zeigen zwei Beispiele des Fraunhofer IAPT: Eine LBM-Anlage, deren Laserparameter bisher einmal im Monat geprüft wurden, zeigte inkonsistente Ergebnisse. So ergab die Dichtemessung (Porosität und weitere Parameter) der gefertigten Teile deutliche Abweichungen zu vorherigen Ergebnissen. Es zeigte sich, dass nach nur wenigen Sekunden die Strahltaille sowie deren Position deutlich von der Spezifikation abwichen: Eine Untersuchung des optischen Strahlengangs ergab eine Beschädigung des Schutzglases, die für das bloße Auge nicht zu erkennen war.

Im zweiten Fall zeigten sich Qualitätsbeeinträchtigungen bei einer Maschine, auf der Endprodukte gefertigt wurden. Hier entstand ein Teil mit deutlichen Mängeln; eine sehr schlechte Oberflächenqualität und Brüche führten zu weiteren Untersuchungen. Die Ergebnisse wiesen signifikante Abweichungen der Laserparameter von der Spezifikation auf:

Die Grafik visualisiert, dass das Strahlprofil nicht dem gewünschten Gauß’schen Profil entspricht (Bild, rechts). Zudem ergaben die Messungen einen mehr als dreimal so großen Strahldurchmesser. Zur Fehlersuche wurde die optische Bank demontiert, und es wurde sichtbar, dass darin auslaufendes Kühlwasser die Linsen beeinträchtigte.

von mg

www.ophiropt.com

www.iapt.fraunhofer.de

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