{{{sourceTextContent.title}}}

Qualitätssicherung von additiv gefertigten Komponenten

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Neue Fertigungstechnologie Micro Laser Sintering

{{{sourceTextContent.description}}}

Additive Fertigungsverfahren, auch bekannt als 3D-Druck, additive Fertigung oder generative Fertigung, bieten eine beeindruckende Gestaltungsfreiheit. Hier werden auf Basis dreidimensionaler Daten viele Schichten aus feinem Material übereinander geschichtet.

Zunächst vor allem im Bereich der Kunststoffe eingesetzt, gewinnt die additive Fertigung zunehmend auch im Metallbereich an Bedeutung. Gerade bei kleinen Stückzahlen kann dieses Fertigungsverfahren kostengünstig eingesetzt werden, da im Gegensatz zu z.B. Gussteilen keine Werkzeugkosten anfallen. Aufwändige Prozesse wie die spanende Bearbeitung, z. B. das Fräsen, entfallen weitgehend. Dies ist von großem Interesse beim Bau von Prototypen, auch "Rapid Prototyping" genannt. Hier dauert die Erstellung eines Prototyps oft nur wenige Stunden. Dies kann bei immer enger werdenden Projektlaufzeiten ein entscheidender Wettbewerbsvorteil sein. Umso wichtiger ist es jedoch, die Qualität der gefertigten Teile durch entsprechende Materialprüfungen sicherzustellen.

Mikro-Lasersintern - eine besondere Form der additiven Fertigung

Die Firma 3D MicroPrint GmbH fertigt kleine, hochwertige Metallbauteile und prüft die mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung. Die 3D MicroPrint GmbH hat sich auf die Herstellung von Mikrobauteilen spezialisiert und nutzt das sogenannte Mikro-Lasersinter-Verfahren. Dieses Fertigungsverfahren ist prinzipiell für alle Branchen interessant, insbesondere aber für die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrt, die Halbleiterindustrie, die Sensorik, die Filtration und die Strömungstechnik. Im Gegensatz z.B. zum traditionellen Gießen handelt es sich um eine relativ neue Fertigungstechnologie, die erst seit 10 Jahren im industriellen Umfeld eingesetzt wird. Ziel ist es, diese Technologie neben den bestehenden Gusstechnologien im Serien- und Massenmarkt zu etablieren.

Das am Computer in 3D konstruierte Modell wird im Pulverbettverfahren hergestellt. Bei diesem Verfahren wird das Pulvermaterial eines Werkstücks Schicht für Schicht aufgetragen und verfestigt. Beim Mikrolasersintern wird das Material mittels Laser strukturiert aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht miteinander verbunden. Dieser Prozess kommt ohne zusätzliche Werkzeuge aus und wird mittels digitalem Datenaustausch durchgeführt.

Hauptmerkmal des Mikrolasersinterns ist es unter anderem, Wandstärken von weniger als 100 µm mit einer Materialdichte von mehr als 99 % unter Beibehaltung der Maßhaltigkeit und der vollen Materialeigenschaften zu erzeugen. Durch eine hauseigene Pulverspezifikation und die entsprechende Mikrolasersinter-Technologie können diese Marktanforderungen erfüllt und teilweise sogar übertroffen werden. Aufgrund dieser hohen Auflösungen der Bauteilgeometrien und des -(Metal Injection Moulding)-Verfahrens können gleiche oder sogar höhere Qualitätsstandards erreicht werden.

Insbesondere bei der Oberflächenrauhigkeit werden Rz-Werte von weniger als 10- 25 µm bei gleichzeitig hohen Dichten von über 99,5 % erreicht. Bauteilmengen von mehreren tausend Stück sind so in wenigen Tagen oder Wochen verfügbar bei gleichzeitig voller Flexibilität in der Bauteilgestaltung.

Um diese Eigenschaften für Industriebereiche wie z. B. die Medizintechnik zu gewährleisten, werden zum einen die Kundenanforderungen gemäß der hausinternen Zertifizierung nach ISO 9001:2015 geprüft und diese bereits nach den Anforderungen der ISO 13489 (sicherheitsspezifische Norm) bearbeitet und dokumentiert.

Für den Zugversuch an metallischen Werkstoffen nach DIN EN ISO 6892 erweisen sich die Probenformen nach DIN 50125 als gute Grundlage, bedürfen aber einer genauen Prüfung. Insbesondere die Radien und Übergänge zwischen Probenkopf und Probentaille sind oft nicht in der gewohnten Weise zu verwenden. Sie lassen sich zwar problemlos herstellen, aber kurze und scharfe Übergänge, wie z.B. bei Gewinde- oder Schulterproben, führen an diesen Stellen zu lokalen Überspannungen und entsprechendem Versagen - die Zugversuche mit dieser Bruchlage wären alle ungültig. Je nach Herstellungsverfahren muss die Oberfläche nachbearbeitet werden und kann nicht "as-built" geprüft werden. Weitere Einschränkungen bei der Wahl der Probenform ergeben sich insbesondere bei hochpräzisen und teuren Fertigungsverfahren, da die Proben möglichst kurz sein sollen. Klassische Probenhalter, wie Keil- oder Schraub-Probenhalter, können nur mit großem Aufwand verkleinert werden. Wesentlich einfacher sind dann formschlüssige Spannzeuge, allerdings ohne Gewinde. Flache oder runde Zugproben mit einer Schulter als Gegenlager sind leicht herzustellen und einfach zu prüfen.

Bei der Miniaturisierung der Proben und dementsprechend des Prüfaufbaus müssen verschiedene Einflussfaktoren berücksichtigt werden. Eine Herausforderung ist dabei die Präzision und Axialität der Probeneinspannung und Krafteinleitung. Das bedeutet z. B., dass die formschlüssige Aufnahme in einem engen Toleranzfenster gefertigt werden muss und die Möglichkeit der Selbstausrichtung bieten sollte.

Des Weiteren sollte die Krafteinleitungsachse, die sowohl den Kraftaufnehmer als auch die obere und untere Einspannung betrifft, axial exakt und unidirektional zueinander ausgerichtet sein. Abweichungen im µm-Bereich können bereits zur Einleitung von Querkräften führen und das Ergebnis verfälschen. Außerdem ist es notwendig, dass der Maschinenbau der Prüfmaschine so optimiert ist, dass beim Verfahren der Fahrtraverse diese Axialität über den gesamten Prüfhub nicht beeinträchtigt wird.

Eine weitere Herausforderung bei der Verkleinerung der Prüfaufgabe ist die Bestimmung der Dehnungsparameter.

Grundsätzlich ist die Dehnung definiert als die Zunahme der Ausgangsmesslänge zu einem bestimmten Zeitpunkt, ausgedrückt in Prozent.

Diese Dehnung kann konventionell über das Wegmesssystem der Prüfmaschine oder über eine spezielle Dehnungsmesseinrichtung, auch Extensometer genannt, ermittelt werden.

Die Ermittlung der Dehnung über den Wegkanal der Prüfmaschine unterliegt immer verschiedenen Einflußgrößen. Insbesondere die Steifigkeit des Prüfaufbaus, zu der neben dem Lastrahmen auch der Kraftaufnehmer, die Adaption der Komponenten sowie die Probeneinspannung beitragen, ist von Bedeutung und kann zu einem erheblichen Messfehler führen.

Daher wird die Bestimmung der Verformung der Probe mit einem Dehnungsaufnehmer empfohlen. Die ISO6892-1 spricht ausdrücklich von Dehnungsaufnehmern. Dies gilt insbesondere dann, wenn Ergebnisse ermittelt werden sollen, für die kleine Dehnungen erforderlich sind, wie z. B. bei der Bestimmung des Elastizitätsmoduls.

Bei Zugversuchen an additiv gefertigten Bauteilen sind aufgrund der Material- und Fertigungskosten Probenlängen von weniger als 10 mm nicht unüblich. Dies macht den Einsatz von taktilen Messsystemen nahezu unmöglich oder extrem kostspielig.

In diesem Anwendungsbereich können optische Messverfahren eingesetzt werden. Laser-Längenänderungsaufnehmer und Video-Längenänderungsaufnehmer mit speziellen telezentrischen oder semitelezentrischen Objektiven ermöglichen die Bestimmung der Probendehnung nach Klasse 1 der ISO 9513 für kleinste Anfangsmesslängen.

Neben den "Standard-Universalprüfmaschinen" hat die Firma Hegewald & Peschke Mikroprüfmaschinen für statische Zugversuche an Miniaturproben sowie für zyklische Prüfaufgaben entwickelt. Die Miniaturprüfmaschine inspekt micro S500 zum Beispiel ist mit einem Wegmesssystem ausgestattet, das eine Auflösung von 5nm hat und Zug-, Druck-, Biege- und Schälversuche an lasergesinterten Werkstoffen und Bauteilen bis 500N ermöglicht.

Aufgrund dieser hohen Anforderungen arbeitet die Qualitätssicherungsabteilung der 3D Micro Print GmbH seit einiger Zeit mit der Hegewald & Peschke Meß- und Prüftechnik GmbH zusammen. Hegewald & Peschke ist aufgrund der langjährigen Erfahrung im Bereich der Mikroprüf- und Messtechnik ein erfahrener und zuverlässiger Partner für den Bereich der Prüftechnik für additive Fertigungsverfahren.