Industrieller 3D-Druck Mess- und Prüfverfahren für einen sicheren 3D-Druck

Das Bündnis AddiQ will dem industriellen 3D-Druck zum Durchbruch im Mittelstand verhelfen. Die 15 Partner aus Wirtschaft und Forschung entwickeln dafür ganzheitliche Qualitätssicherungsverfahren – von der sicheren Bauteilkennzeichnung bis zur Echtzeit-Prozessüberwachung.

Von Komponenten und Ersatzteilen für Maschinen und Anlagen über elektrostatisch abgeschirmte Transportbehältnisse, Großbauteile für den Automobilbau, Schienen- und Luftfahrzeuge bis zu patientenspezifischen Medizinprodukten aus dem Drucker: Das Innovationsbündnis „AddiQ“ aus zehn mitteldeutschen Unternehmen, drei Forschungseinrichtungen und zwei Hochschulen hat das Ziel, additive Fertigungstechniken zu einer breiten industriellen Anwendung im Mittelstand zu verhelfen.

Bislang verhindern eine Vielzahl ungelöster Qualitätsprobleme im Spannungsfeld von Material, Prozess und Daten sowie fehlende Normen und Standards einen echten Durchbruch des 3D-Drucks in der Produktion. „Zu Einzelaspekten wird vielerorts geforscht, es existieren auch gute Insellösungen; wir brauchen aber ein industrielles All-inclusive-Programm entlang der kompletten technologischen Kette“, fasst Konsortialführer Hans-Joachim Münch von Sonotec die Strategie des Bündnisses zusammen.

Seit Ende 2023 bündelt das besonders im südlichen Sachsen-Anhalt präsente Netzwerk daher Know-how und Kapazitäten der Region in fünf Verbundprojekten mit verschiedenen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben. Langfristig soll eine Art „Additive Valley", ein mitteldeutsches Kompetenzzentrum mit europaweiter Strahlkraft, entstehen. Fördermittel aus dem RUBIN-Programm des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt helfen dabei.

Weitreichende Optimierungseffekte angestrebt

Von der Materialauswahl, dem Handling großer Datenmengen, der Prozessüberwachung bis zum Postprocessing, zur Normung, Zertifizierung und sogar der Weiterbildung: So groß wie die Herausforderungen sind auch die Chancen. Der neue, kohärente Ansatz für die industriesichere Gestaltung der additiven Fertigung soll branchenübergreifend gravierende Optimierungseffekte im Produktionsablauf, beim Gewicht der Erzeugnisse, bei den Kosten und Lieferzeiten bringen. Komplette konventionelle Fertigungsschritte und Baugruppen können perspektivisch entfallen, Produkte mit völlig neuen Eigenschaften und Funktionen entstehen.

Erste Ergebnisse bei Anwenderforum vorgestellt

Probleme und Erfolge auf dem Weg zu Erzeugnissen mit exakt definierten Eigenschaften in stetig gesicherter Qualität diskutierten die Bündnispartner unlängst beim AddiQ-Anwenderforum in Halle (Saale) mit Vertretern von Industrie und Forschung aus dem gesamten Bundesgebiet. Unter den vorgestellten Projekten waren beispielsweise elektromagnetisch abschirmende Materialien für den Messgerätebau, elektrostatisch ableitende Verpackungen, funktionsintegrierte Gehäuse für Messgeräte oder die multiaxiale Teilefertigung für die medizinische Orthetik.

Der rote Faden aller Vorhaben: das Streben nach durchgängiger Qualitätssicherung in der Fertigung. Entscheidende Bedeutung haben dabei neuartige Mess- und Prüflösungen zur Material- und Prozessüberwachung – teils unter Einbeziehung von KI. Perspektivisch sollen so Druckfehler in Echtzeit erkannt, klassifiziert und eine automatische Prozessanpassung gesichert werden.

Ultraschallbasierte Fehlererkennungsverfahren

Der Ultraschall-Spezialist Sonotec zeigte, wie während der Produktion Probleme sowohl am Drucker als auch am entstehenden Erzeugnis sicher zu erkennen sind. Schadhafte Lager, verstopfte Düsen oder überlastete Drucker sind ebenso wie Materialfehler und Mängel im Prozessablauf stets mit spezifischen Schwingungen oder Geräuschen verbunden. Diese hochfrequenten Signale lassen sich mit von Sonotec entwickelten Sensoren erfassen.

Eine Vielzahl solcher typischen Fehler und Signale wurde bereits simuliert. Dr. Oliver Neudert von der Gesellschaft zur Förderung von Medizin-, Bio- und Umwelttechnologien e.V. (GMBU) und Leiter zweier AddiQ-Verbundprojekte kündigte an, dass die dabei gewonnenen Erkenntnisse zeitnah in einer parallelen Kleinserienproduktion praktisch getestet werden sollen.

Bildbasierte Prüfverfahren mit Thermokameras

Neben akustischen entwickelt das Konsortium auch bildbasierte Prüfverfahren. Mit kostengünstigen Thermokameras lässt sich während des Druckprozesses die Oberflächentemperatur an der Fügestelle erfassen, die direkten Einfluss auf die Schichthaftung sowie die mechanischen Eigenschaften des entstehenden Produkts hat. An Polypropylen-Testkörpern konnte bereits der Einfluss der Wärmewerte auf die Bruchdehnung nachgewiesen werden. Im nächsten Schritt soll nun nach Wegen zur sicheren Vorhersage von Produkteigenschaften gesucht werden.

Schutz vor Fälschungen durch unsichtbare Kennzeichnung

Leider sind auch täuschend echt wirkende, technisch jedoch minderwertige Fälschungen additiv einfach herzustellen. Gerade bei hochwertigen Erzeugnissen und mit Blick auf Gewährleistungsansprüche ist deshalb die sichere Kennzeichnung von Originalbauteilen wichtig. AddiQ-Partner entwickelten verschiedene Verfahren, um dafür Informationen unsichtbar im Bauteil zu platzieren. Zur Kontrolle können sie mittels Computertomographie oder mit Ultraschallverfahren ausgelesen werden.

Das AddiQ-Netzwerk setzt von Beginn an auf die Kooperation mit mittelständischen Unternehmen und Forschungseinrichtungen 3D-affiner Branchen wie Maschinenbau, Elektronik, Medizintechnik oder Mobilität. „Sie können ihre technologischen Ansätze und Fragestellungen einbringen, um mit uns zukunftsträchtige Additiv-Lösungen zu schaffen“, sagt Dr.-Ing. Klaus Krüger, Vorstandsvorsitzender der ebenfalls im Bündnismanagement eingebundenen GMBU. (heh)

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