Kegelmann Faro Edge ScanArm: Die Kunst additiver Qualität
Der Nachweis reproduzierbarer Qualität ist bei additiver Fertigung zwar möglich, aber ganz anders und wesentlich komplexer als bei Massenfertigung mit statistischer Qualitätsprüfung. Der Fertigungsdienstleister Kegelmann Technik hat ein durchgängiges Qualitätskonzept mit eigenen Standards entwickelt.
Zur Qualitätskontrolle nach Auspacken und der abschließenden Nachbearbeitung und Oberflächenbehandlung gehören Rückstellmuster ebenso wie Rauigkeitsmessungen oder optische Vermessungen mit Messtechnik wie z.B. einem FARO Edge ScanArm.
Stephan Kegelmann
Geschäftsführer der Kegelmann Technik GmbH
„Der Kegelmann Pulver Qualitätsindex ist ein äußerst hilfreiches Instrument, um durch Messen und Erfahrungswissen Pauschalansätze der Anlagenhersteller zu ersetzen. “
Beim industriellen 3D-Druck wird jedes Teil individuell als Einzelteil und nicht als Teil einer Massenfertigung hergestellt, eine statistische Qualitätsprüfung mit durch die Prüfung zerstörten Stichproben ist daher nicht möglich. Additive Fertigung produziert ein Bauteil auch nicht in einem einzigen Prozessschritt, wie es bei der Massenfertigung meist der Fall ist. Additive Fertigung ist vielmehr Teil eines größeren Produktionssystems, bei der Prozesse, Maschinen und Material viel stärker miteinander verzahnt sind als bei konventioneller Produktion. Diese Prozesskette und die damit verbundene Qualitätsphilosophie heißt bei Kegelmann Technik Connected Prototyping: eine Abfolge von definierten Unterprozessen mit definierten Schnittstellen und spezifischen Anforderungen, so dass Prozesskontinuität, Vorhersagbarkeit und Rückverfolgbarkeit sowie eine lückenlose Qualitätskontrolle über die spätere Produktqualität und deren Reproduzierbarkeit entscheiden. Die Einflussgrößen umfassen Design, Software, Eingangsdaten, additive Technologie, Material, Maschinen und ihre Prozessparameter und nicht zuletzt die beteiligten Mitarbeiter.
Um die Chancen der additiven Fertigung zu nutzen, werden konventionell konstruierte Teile neu designt unter Berücksichtigung von Aspekten wie z. B. Funktionsintegration und Teilereduktion.
Unsicherheiten systematisch eliminieren
Connected Prototyping definiert also einen systematischen Weg zur Bewältigung der Unsicherheiten im Zusammenhang mit additiven Fertigungsverfahren, bei denen die Tauglichkeit des Ergebnisses nicht allein durch Nachweis der Einhaltung relevanter Standards, Richtlinien und Empfehlungen gewährleistet werden kann. Ergänzend zu diesen und aufbauend auf bestehenden Normen und Standards hat Kegelmann Technik eigene Standards bzgl. Anforderungsspezifikation, Kommunikationsleitlinien und Terminologien, Best Practice Dokumentation, Testmethoden und Protokolle, Dokumentation technischer Daten sowie Methoden zur beschleunigten Einführung neuer Technologien und Wissensvermittlung festgelegt. Um die Chancen der additiven Fertigung zu nutzen, werden konventionell konstruierte Teile neu designt. Unter Berücksichtigung von Aspekten wie Funktionsintegration und Teilereduktion, Leichtbau, Topologieoptimierung, einfacher Herstellung, hybriden Konstruktionslösungen mit einer Kombination von subtraktiven und additiven Fertigungsverfahren oder von der Natur inspirierten bionischen Konstruktionen.
Glattschleifen eines Lasersinter-Bauteils, hier eines Tubenhalters in einem Fördersystem.
Check, Re-Check, Double-Check
Im folgenden Schritt ist dann das Bauteil im Bauraum unter Berücksichtigung von Festigkeit, Stützstrukturen und Oberflächengüte zu positionieren. Angefangen beim Bauteil selbst und seiner Konstruktion beeinflussen auch prozessvorbereitende Maßnahmen wie z.B. die Bauteilorientierung im Bauraum, der eigentliche Bauprozess mit Parametern wie Laserstrategie, Temperatur, Material und Materialqualität sowie die nachgelagerten Prozesse wie Abkühlung und Nachbearbeitung die spätere Bauteilqualität in Bezug auf Maßhaltigkeit, Toleranzen und wichtige Materialeigenschaften wie z.B. Homogenität, Dichte und Festigkeit. Mit Kerbschlagbiegeversuch und Zugversuch werden an mitgebauten Prüfkörpern und Referenzbauteilen Bruchdehnung, Zugfestigkeit und E-Modul sowie durch Sichtprüfung Restporosität und eventuelle Einschlüsse gemessen. Zur weiteren Steigerung reproduzierbarer Produktqualität hat Kegelmann Technik einen eigenen Index für das optimale Pulvermischungsverhältnis beim Selektiven Lasersintern SLS entwickelt.
Zwei Laser erhöhen beim SLM nicht nur die Baugeschwindigkeit, sondern auch die Qualität des Bauteils.
KPQ – der Kegelmann Pulver Qualitätsindex
Als fester Bestandteil des Qualitätsmanagementsystems erlaubt der Kegelmann Pulver Qualitätsindex (KPQ) eine bessere Feinabstimmung der Parametersätze in Abhängigkeit des Mischungsverhältnisses von Neu- zu Altpulver. Der KPQ-Index ist dabei ein äußerst hilfreiches Instrument, durch Messen und Erfahrungswissen Pauschalansätze der Anlagenhersteller zu ersetzen. Der KPQ-Index erlaubt eine durchgängig konstante Qualität des Aufbaus und sorgt vor allen Dingen für eine reproduzierbare Qualität auch zwischen verschiedenen Maschinen. Kegelmann Technik hat dazu die Eigenschaften der genutzten Ausgangspulver, insbesondere die Mischungsverhältnisse, auf signifikante Einflüsse besonders untersucht. Ziel der Untersuchungen war auch, weitere Lieferanten, aber auch neu entwickelte Pulvermaterialien, schnell und zuverlässig in die Produktionsprozesse integrieren zu können. Zur Qualitätskontrolle nach Auspacken und der abschließenden Nachbearbeitung und Oberflächenbehandlung gehören Rückstellmuster ebenso wie Rauigkeitsmessungen oder optische Vermessungen mit Messtechnik wie z.B. einem Faro Edge ScanArm. Mit dem mobilen ScanArm wird die gesamte Bauteilgeometrie in einer hochauflösenden Punktewolke erfasst und mit den CAD-Daten abgeglichen. In einer kompletten Form- und Maßanalyse mit präzisen 3D-Koordinaten werden Abweichungen zu den CAD-Daten farblich in x-, y- und z-Vektorrichtung markiert und können sofort nachbearbeitet werden.
Jede SLS-Maschine verhält sich minimal anders und steht unter genauester Beobachtung.
Standards setzen
Die Standards zu konventionellen, meist subtraktiven Fertigungsverfahren bauen auf dem Erfahrungswissen von Jahrzehnten, sogar Jahrhunderten, auf. 3D-Druck und ähnliche additive Verfahren existieren erst seit knapp über 30 Jahren und entfalten seit dem Auslaufen der entsprechenden Patente eine unglaubliche Dynamik. Es gibt eine nahezu unüberschaubare Menge an Technologien und Verfahren, an Herstellern von Maschinen genauso wie an Herstellern von Materialien, an Dienstleistern und Lieferanten ebenso – und nahezu wöchentlich kommt etwas Neues dazu. Da kommen Standardisierungsgremien einfach nicht mit. Auch wenn mit großer Anstrengung an internationalen Normen und Standards der Additiven Fertigung gearbeitet wird: bis diese auch im Hinblick auf spezielle Industriebereiche zu Ende diskutiert sind, bleiben entsprechende Qualitätsnachweise originäre Aufgabe produzierender Unternehmen wie Kegelmann Technik. Kunden und Anwender hinterfragen verstärkt qualitätsorientierte Prozesse beim beauftragten Unternehmen und wollen diese dokumentiert sehen. Zertifizierungen nach ISO 9001, IATF 16949 oder DIN EN 9100, die Kegelmann Technik selbstverständlich seit Jahren erfüllt und regelmäßig erneuert, bilden erst im Zusammenspiel mit einem systematischen Qualitätsmanagementprozess den Rahmen für die bestmögliche Produkt- und Prozessqualität in der Additiven Fertigung. Durch diesen Qualitätsansatz des Connected Prototyping, die damit verbundene Projektsicherheit, durch Innovationen und Produktivität generiert Kegelmann Technik zusätzliche Wertschöpfung für Kunden, die in einem Umfeld mit großen Herausforderungen Höchstleistungen von ihren Partnern erwarten.
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