Mit den vergleichsweise neuen Verfahren zur Additiven Fertigung müssen sich die Qualitätssicherung, Prüfung und Zertifizierung neuen Herausforderungen stellen. Das betrifft sowohl Hersteller, die die Möglichkeiten der Fertigungstechnologien industriell erschließen wollen, aber auch Normierungsorganisationen, Zertifizierungsunternehmen und Schulungsanbieter.
Die Additive Fertigung entwächst längst ihren Anfängen im Rapid Prototyping. Unternehmen zeigen zunehmend Interesse an den formauftragenden Verfahren in der Serienproduktion. Noch sind es vor allem Produzenten hochwertiger Güter etwa in der Luftfahrt und Biomedizin, die die Speerspitze unter den Anwendern Additiver Fertigung bilden. Doch auch die Automotive-Produzenten und der Werkzeug- und Formenbau arbeiten daran, mit der generativen Fertigung innovative Produkte zu ermöglichen.
Additive Serienproduktion
Mit Additiver Fertigung können Unternehmen Teile mit variablem Design herstellen und eine kundenindividuelle Massenproduktion aufnehmen. Die Verfahren helfen dabei, Produkte langlebiger, widerstandsfähiger und leichter herzustellen. Die Technologie ist inzwischen so ausgereift, dass Unternehmen aus Luftfahrt und Medizintechnik mit ihr Funktionsteile für Nischenanwendungen herstellen. In dem Maß, in dem sich der 3D-Druck in der Fertigungsindustrie etabliert, müssen jedoch die so hergestellten Teile geprüft und zertifiziert werden – gerade vor der Markteinführung eines Produkts.
Treiber der Standardisierung
Wegen der inhärenten Charakteristik des Prozesses unterscheiden sich Produkte aus Additiver Fertigung erheblich von solchen aus konventioneller Produktion. Wenn die Qualität auf jeder Stufe des Additiven Fertigungsprozesses sichergestellt werden soll, um Teile mit einem konstanten Qualitätsniveau zu produzieren, reicht die Prüfung der fertigen Produkte nicht aus. Doch wie können Tests während des Fertigungsprozesses aussehen? Eine der größten Herausforderungen für die Qualitätssicherung und Zertifizierung in der Additiven Fertigung besteht darin, Standards für die Materialien, die Prozesse und die Produkte zu schaffen. Diese Entwicklung wird derzeit von zwei Normierungsorganisationen gemeinsam vorangetrieben: von ‚ISO/TC 261 Additive Manufacturing‘ und vom ‚ASTM International Technical Committee F42 on Additive Manufacturing Technologies‘. Nach Beratungen haben ISO/TC 261 und ASTM F42 Ende 2013 ein koordiniertes Vorgehen beschlossen: einen ‚Joint Plan for Additive Manufacturing Standards Development‘.
Struktur neuer Normen
Die Normierungsverfahren sind in drei Ebenen gegliedert: die General Top-Level Standards, die Category Standards und die Specialized Standards. Bei der allgemeinen Normierung auf der obersten Ebene geht es um Terminologie, um Prozesse und Materialien, um allgemeine Testmethoden sowie um Design und Datenformate. Von der Kategorie-Ebene an unterscheidet der Normierungsplan jeweils zwischen drei Bereichen: Raw Materials, Process and Equipment sowie Finished Parts. Bei den Rohmaterialien geht es auf der Kategorie-Ebene um Metallpulver, Polymerpulver, Photopolymer-Kunstharze, Keramik et cetera. Im Bereich Prozesse und Ausrüstung befassen sich die Normen etwa mit Powder Bed Fusion, also mit thermischen Pulverbett-Fusionsprozessen, oder mit Material-Extrusion. Bei den Normen für Endprodukte geht es auf der Kategorie-Ebene unter anderem um mechanische Testmethoden, sei es für Metalle, Polymere oder andere Werkstoffe. Auf der untersten Ebene der Specialized AM Standards sticht der Bereich Finished Parts hervor. Hier sind ausdrücklich applikationsspezifische Normen vorgesehen: etwa für den Luftfahrtbereich, die Medizintechnik, die Autoindustrie.
Die meisten Normen aus der allgemeinen Ebene sind bereits veröffentlicht. ‚ISO 17296-2:2015 Additive manufacturing, General principles, Part 2‘ etwa gibt einen Überblick über Prozesskategorien und Rohmaterialien. Auch die Teile 3 und 4 liegen bereits vor, während sich Teil 1, der sich mit der allgemeinen Terminologie der Additiven Fertigung beschäftigt, derzeit noch in der Zustimmungsphase ist. Für die Schaffung neuer Standards lassen sich durchaus auch bestehende Normen als Vorlage nutzen. So können beispielsweise existierende Material-Prüfungsnormen unmittelbar auf die Additive Fertigung übertragen werden. Einige nachgeordnete Normen, die sich mit den Rohmaterialien befassen, sind bereits veröffentlicht. Dazu zählen die ‚F2924-14 Standard Specification for Additive Manufacturing Titanium-6 Aluminum-4 Vanadium
with Powder Bed Fusion‘ oder ‚F3091/F3091M-14 Standard Specification for Powder Bed Fusion of Plastic Materials‘. Andere Normen sind derzeit in der Vorschlagsphase. Nach der aktuellen Roadmap könnte der Großteil der Normen zur Additiven Fertigung in zwei bis drei Jahren vorliegen.
Metallpulver sorgfältig prüfen
Der erste Schritt in der Qualitätssicherung für ein per 3D-Druck hergestelltes Produkt ist, die Rohmaterialien zu prüfen und zu charakterisieren. Denn die Materialeigenschaften des Endprodukts hängen stark von etwaigen Schwankungen der Eigenschaften des Rohmaterials ab. Schon verschiedene Chargen desselben Pulverrohmaterial-Produzenten können sich signifikant unterscheiden. Und Additive Fertigung mit Metallen findet im Wesentlichen mit einem Metallpulver als Rohmaterial statt. Ausnahmen sind die Verfahren der Ultrasonic Consolidation, bei dem Metallfolien benutzt werden, und die Electron Beam Free Form Fabrication (EBFF), die mit Metalldraht arbeitet. Die Eigenschaften des Metallpulvers spielen für die Qualität eine zentrale Rolle: sei es die chemische Zusammensetzung des Pulvers, die Größenverteilung der Partikel, die Fließfähigkeit oder die Temperatur. Die Dichte des Pulverrohmaterials hat Einfluss auf die Porosität des Produkts. Daher gilt es für Hersteller, die Eigenschaften eines Metallpulvers schon vor der Verwendung zu prüfen. Es müssen Kriterien für das Benchmarking der Rohmaterialien entwickelt und Methoden für die Probenahme gewählt werden. Die Proben müssen dafür tatsächlich für die Rohmaterial-Charge repräsentativ sein. Mit stringenten Prüfmethoden für die Eigenschaften des Metallpulvers sollen konsistente Eigenschaften der gefertigten Teile sichergestellt werden.
Effektive Prozesskontrolle
Viele Variablen beeinflussen während der Fertigung das Ergebnis. Entsprechend sind prozessbegleitende Prüfungen wichtig – das sogenannte In-Process-Testing – damit der Produktionssprozess innerhalb der Toleranz abläuft. Dazu braucht es Verfahren, mit denen die Variablen auf verschiedenen Stufen des Prozesses effektiv kontrolliert werden können – etwa um eine Kontamination des Pulverrohmaterials durch die Handling-Vorgänge auszuschließen. Wenn die entsprechenden Methoden entwickelt sind, müssen die Anforderungen auf jeder Stufe des Fertigungsprozesses nachweislich erfüllt werden.
Ähnliche Methoden
Die Qualitätsprüfung für additiv gefertigte Metallprodukte ähnelt den Methoden für gegossene und geschmiedete Teile. Allerdings unterscheidet sich das Vorgehen. So können konventionell gefertigte Teile beispielsweise mit Wirbelstromsonden zerstörungsfrei geprüft werden. Viele Produkte aus Additiver Fertigung weisen relativ komplexe Formen auf, sodass in diesen Fällen eigens entwickelte Sonden nötig werden können. Derzeit werden mit 3D-Druck häufig einzelne Komponenten größerer Teile oder Baugruppen hergestellt. Die Qualitätsprüfung muss also auf Ebene der Komponente ebenso ansetzen wie auf Ebene der größeren Baugruppe. Die additiv gefertigte Komponente muss schließlich den funktionalen Anforderungen der Baugruppe genügen. Für die Aufgaben im Zusammenhang mit Prüfung und Zertifizierung müssen noch Richtlinien und Regeln entwickelt werden, die sich mit der Compliance von additiv gefertigten Komponenten befassen. Dazu sind Anstrengungen im Bereich Qualitätskontrolle nötig, bei der koordinierten Normenentwicklung und im Bereich der Gesundheit und Sicherheit.
Trainings und Schulungen
Noch sind viele Fragen zur Qualitätssicherung, Validierung, Prüfung und Zertifizierung von additiv hergestellten Produkten offen. ISO und ATSM arbeiten daran, diese Lücke über die Normung zu schließen. In diese Anstrengungen bringt sich auch die global agierende Organisation für Produktsicherheit und Zertifizierung UL ein. Einerseits kooperiert das Unternehmen mit den beiden Normierungsorganisationen, auf der anderen Seite arbeitet die Firma mit Unternehmen zusammen, unternehmensinterne Standards und Guidelines für den Einsatz der Additiven Fertigung zu erarbeiten. Schulungsangebote für Mitarbeiter zählen ebenso zum Portfolio des Dienstleisters wie Beratung und die Entwicklung von Best Practices bei der Adaption der vielversprechenden neuen Fertigungstechnologien.
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