Additive Fertigung in Echtzeit überwachen

Additive Fertigungsverfahren sind aus der Industrie nicht mehr wegzudenken. Kommt es jedoch zu Fehlern beim Drucken, kann es teuer werden. Diese Kosten lassen sich reduzieren, wenn bei Unregelmäßigkeiten im Druckvorgang der Bauteilaufbau zeitnah gestoppt wird.

Im gerade gestarteten Projekt »AddiLine« qualifizieren dafür fünf Projektpartner neben einer Kontrolle der Materialabgabe beim Drucken die Laser-Speckle-Photometrie für die Überwachung des »Thermoplastischen 3D-Drucks«.

Ein neues additives Verfahren ist der am Fraunhofer IKTS entwickelte »Thermoplastische 3D-Druck« (T3DP), mit dem auch Keramiken und Hartmetalle verdruckt werden können. Für eine hohe Prozessstabilität und Qualität der Bauteile wird eine Inline-Prozesskontrolle benötigt. Bisherige Lösungen produzieren zu hohe Datenmengen, deren Auswertung viel Zeit in Anspruch nimmt oder sind für das begrenzte Platzangebot im Drucker zu groß. Zudem können sie keine definierten Materialparameter (zum Beispiel Porosität oder Defekte) prüfen, auf die der Fertigungsprozess abgestimmt werden muss.

Integrierbares Prüfsystem für hochwertige 3D-Druck-Bauteile

Ziel des Projekts »AddiLine« ist die Entwicklung eines Mess-Systems mit zwei Komponenten. Die erste Komponente überwacht mittels Lichtschranke, ob das zu verdruckende Material den Drucker tatsächlich verlässt. Dies ist Voraussetzung für eine korrekte Anbindung der Materialtropfen untereinander, so dass keine Lufteinschlüsse entstehen. Die zweite Komponente, die integrierte Laser-Speckle-Photometrie (LSP), prüft berührungslos die vorher festgelegten Parameter der entstehenden Struktur in Echtzeit.

Die zu entwickelnde berührungslose Prüftechnik soll als kostengünstiges System mit flexiblem und robustem optischen Aufbau realisiert werden. Um dessen Einsatz unter Produktionsbedingungen zu testen, wird das modulare System mit beiden Komponenten in eine T3DP-Anlage integriert. »Der Anlagendemonstrator bildet so die Grundlage für eine völlig neuartige additive Fertigungstechnologie, die die Herstellung für ein breites Materialspektrum von hochwertigen Single- und Multimaterial-Bauteilen ermöglicht« fasst Dr. Beatrice Bendjus, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fraunhofer IKTS, zusammen.

Gebündelte Kompetenz für ein breites Einsatzspektrum

Das Vorhaben erfordert das Einbringen vielfältiger Kompetenzen: Neben den Industriepartnern Hoyer Montagetechnik GmbH, Vermes Microdispensing GmbH, Thomas Werner Industrielle Elektronik e. Kfm und viimagic GmbH wirkt das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS im Projekt mit.

Die Partner zeigen sich optimistisch, dass mit dem Prüfsystem zukünftig verschiedene Materialgruppen auf weitere physikalische, mechanische sowie thermische Eigenschaften untersucht werden können. Damit sollen wichtige Impulse für den Einsatz des Verfahrens in der Keramikindustrie, für Bohr- und Fräswerkzeuge, aber auch in der Medizin sowie dem Maschinen- und Anlagenbau gegeben werden.

Das Projekt »Laser-gestützte Inline-Überwachung der additiven Fertigung von Keramiken und Hartmetallen« läuft bis zum Frühjahr 2021 und wird innerhalb der Fördermaßnahme »Photonik für die flexible, vernetzte Produktion – Optische Sensorik« im Rahmen des Programms »Photonik Forschung Deutschland« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Bild: Im Projekt »AddiLine« entsteht ein prozessintegriertes Prüfsystem, das die Qualität der 3D-gedruckten Komponente beim Entstehen in Echtzeit überwacht. © Fraunhofer IKTS

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