Carl Zeiss SMT ZEISS PiWeb: Ganzheitliche Qualitätsprüfung

Pulver ist der Grundstoff von additiv gefertigten Teilen. LM, REM und Röntgen-CT helfen bei der Beurteilung der Pulverqualität.

Die gesamtheitliche Lösung, die Zeiss für die Additive Fertigung bietet, begleitet jeden der nachfolgend beschriebenen Prozessschritte und liefert damit ein besseres Verständnis von den Wechselwirkungen der Prozessparameter und Bauteileigenschaften. Mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen sollen neue Anwendungen effizienter erschlossen, die Leistungsfähigkeit der Bauteile gesteigert und die Reproduzierbarkeit abgesichert werden.

Mit 3D-Scanning können Daten mit hoher Geschwindigkeit und Dichte ermittelt werden. Die gesamte Außenfläche wird mit einer hohen Datendichte digitalisiert und somit die Analyse von Form, Größe und Lage von Merkmalen sowie des gesamten Bauteils ermöglicht.

Pulver- und Materialcharakterisierung

Die Größenverteilung, Form und Beschaffenheit der einzelnen Pulverpartikel sind Entstehungsfaktoren von Bauteildefekten. Da sich diese Eigenschaften im Laufe der wiederholten Verwendung des unverbauten Pulvers ändern, wird zur Reduktion dieses Effekts neues Pulver zugemischt. Wird zu früh oder zu viel des Gebrauchtpulvers durch Neupulver ersetzt, bedeutet dies jedoch einen wirtschaftlichen Nachteil.

Aus diesem Grund lohnt sich vor dem 3D-Druck eine eingehende Analyse. Durch den Einsatz eines Lichtmikroskops kann die Partikelgrößenverteilung bestimmt und damit der Pulverzustand überwacht werden. Mit einem Rasterelektronenmikroskop/ EDX können Partikelanalysen (Form, Satellitenpartikel, chem. Bestandteile, etc.) mit Auflösungen im Nanometerbereich durchgeführt werden, um ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen Werkstoff, Herstellungsprozess und Bauteileigenschaften zu erlangen. Zuletzt ermöglichen hochauflösende Röntgen-CTs detaillierte Analysen der Partikelform, -größe und -volumenverteilung sowie Porosität der Pulverpartikel.

Die Überprüfung und Messtechnik mit Röntgen-CT bietet eine einzigartige Sicht auf die Vollständigkeit des Aufbaus und trägt wesentlich zur Optimierung des 3D-Druckprozesses bei (li: Erkennung von Porosität, re: Erfassung von ungeschmolzenen Partikeln).

Maß- und Formänderungen durch Postprozesse

Um die Einflüsse der Nachbehandlungsschritte, wie Wärmebehandlung, Trennung des Bauteils von der Druckplatte, mechanische Nachbearbeitung etc. hinsichtlich der Maß- und Formabweichungen besser zu verstehen, können abhängig von der jeweiligen Anforderung und dem Anwendungsfall unterschiedliche Verfahren genutzt werden. Zum einen kann mit einem Koordinatenmessgerät (KMG) mit hoher Genauigkeit gemessen werden, zum anderen kommt man mit optischen 3D-Scannern zu schnellen Analysen der Maßhaltigkeit. Die Wechselwirkung zwischen maßlicher Qualität und Materialeigenschaften sowie Defekten sind dabei gleichzeitig im Blick zu halten.

Defekt- und Innenstrukturprüfung

Die Defektanalyse ermöglicht es, den Prozessparametereinfluss zu bestimmen und effizienter an optimale Parameter zu gelangen. Hier erlauben Oberflächenanalysen mit Lichtmikroskopen ein besseres Verständnis für den Zusammenhang der Prozessparameter und Bauteileigenschaften bzw.-fehlern, wie z. B. die Entstehung von Rissen, Schichtablösungen oder Poren.

Mit Röntgen-CTs lassen sich Analysen der Innenstrukturen hinsichtlich Defekten sowie der Oberflächengüte, als auch der Bestimmung der Maßhaltigkeit innerer Strukturen durchführen. Hochauflösende Röntgenmikroskope können lokal genau an der Stelle angreifen, an der die Auflösung herkömmlicher CTs nur die auffälligen Stellen identifizieren. So werden detailliertere Informationen über Defektart, Größe, Historie etc. verfügbar.

Materialqualitätsprüfung nach dem Druck

Das lokale, schichtweise Aufschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs bedingt eine völlig unterschiedliche Wärmehistorie des Bauteils im Vergleich zu klassischen Verfahren. Die lokalen Temperaturen, Abkühlbedingungen und Prozessparameter beeinflussen dabei die kristallographischen Eigenschaften. Geeignete Analyseverfahren werden zunehmend gefordert. Die punktuell durch Laserbahnen erzeugten Wärmestauungen schaffen typische Muster, die mittels Lichtmikroskop analysiert werden, um daraus bauteilspezifische Prozessparameter und -bedingungen abzuleiten. Das gleiche Material kann bei einem additiv hergestellten Teil völlig unterschiedliche kristallographische Strukturen enthalten, die mit einem Rasterelektronenmikroskop über EBSD erfassbar sind. Röntgen-CTs hingegen werden z. B. zur Erfassung von Kornstrukturen und deren Ausrichtung eingesetzt.

Maß- und Oberflächenprüfung

Die Qualität der Oberfläche bestimmt die funktionelle und visuelle Qualität des Bauteils. Diese ist für additiv gefertigte Teile abhängig von den Prozessparametern. Oberflächenanalysen dienen dabei der Parameterfindung und Bauteilabsicherung. Mit Lichtmikroskopen wird die Oberflächengüte bestimmt und detaillierte topografische Karten der betroffenen Oberfläche erzeugt. Röntgen-CTs erlauben eine zerstörungsfreie Analyse innenliegender Funktionsflächen wie beispielsweise Kühlkanäle.

Die Überprüfung der Maßhaltigkeit des fertigen Bauteils kann analog der oben beschriebenen Analyse von Maß- und Formänderungen erfolgen.

Prozessdatenstatistik und -analyse

Die Erfassung und Analyse von Daten mit ZEISS PiWeb über die gesamte Prozesskette hinweg liefert ein tiefes Verständnis dafür, wie Prozessänderungen mit unterschiedlichen Dimensions- und Materialeigenschaften korrelieren können. Eine klare, visuelle Darstellung und Korrelation der Ergebnisse aller Prozessschritte hilft, schnell und effizient Druckstrategien zu entwickeln und die Leistungsrate zu steigern.