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Der Testforscher

Wie sehen Tests und Qualitätskontrollen für die Industrie 4.0 aus?

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von Randy B. Hecht

Die additive Fertigung ist eine Antwort, die viele neue Fragen aufwirft. Wenn wir Bauteile außerhalb des traditionellen Massenproduktionsmodells herstellen, wie kontrollieren und  standardisieren wir dann deren Qualität? Wie stellen wir die Einhaltung der regulatorischen Anforderungen in Bereichen wie Medizin oder Luftfahrt sicher? Wie sehen Tests und Qualitätskontrollen für die Industrie 4.0 aus? Der Job von Tim Horn ist es, diese und ähnliche Fragen zu beantworten.

»Wir müssen die Expertise vieler verschiedener Disziplinen einbringen, sozusagen die › Sprachen‹ der anderen lernen und die verschiedenen Prozesse verstehen lernen.«

Tim Horn entwickelt nicht nur Protokolle für Qualitätskontrollen und Tests außerhalb der Parameter der traditionellen Fertigung. Vielmehr nutzt er dafür auch sein Wissen und die Erfahrung, die er auf seinem unkonventionellen Karriereweg in der additiven Fertigung erworben hat: Nach einer Ausbildung zum Tischler machte er einen Abschluss in »wood and paper science and engineering« (Holz- und Papierwissenschaft und -technologie). Als Forscher auf dem Gebiet der Holzbearbeitung und -werkzeuge arbeitete er in einem Programm mit, das sich mit der Konstruktion von Schneidwerkzeugen und mit Werkzeuginstabilitäten in der Sägeindustrie beschäftigte.

Nach einem Master-Abschluss in Produktionstechnik und einem Doktorat in Wirtschaftsingenieurwesen trägt Tim Horn heute dazu bei, dass in der Prüfung und Qualitätskontrolle für die additive Fertigung (additive manufacturing; AM) grosse Fortschritte gemacht werden. Wir haben mit ihm darüber gesprochen, wie solche Tests heute aussehen und an welchem Punkt die Forschung bereits angelangt ist.

Professor Tim Horn of North Carolina State University

Als Sie anfingen, sich mit der additiven Fertigung zu beschäftigen, lag der Fokus noch auf dem Prototyping, und das kosten-Nutzen-Verhältnis war noch nicht klar. Was hat in dieser Phase ihr
Interesse geweckt?
Ich war gerade dabei, mir einen Job zu besorgen und bereit, die Welt zu erobern. Fast zur gleichen Zeit erwarb die North Carolina State University ein System zur additiven Fertigung von Metallteilen von Arcam. Das war vor fast 18 Jahren. Ich bin mir nicht sicher, wie viele Leute das damals wirklich ernst genommen haben. Aber ich war fasziniert von dem enormen Potenzial dieser Idee, ein Metallobjekt direkt aus einer CAD-Datei ohne Gussform oder Werkzeug herstellen zu können. Von diesem Zeitpunkt an begann ich mit der Arbeit an Materialien und Prozessen für Systeme zur additiven Metallfertigung.

Eine Herausforderung bei Prüfungen und Qualitätskontrollen ist die Wiederholbarkeit der Ergebnisse. Welche sind die größten Veränderungen, die Sie bei den Ergebnissen mit Elektronenstrahlen und laserbasierten Metallprozessen mit Metallpulvern gesehen haben?
Grundsätzlich hat sich die pulverbettbasierte additive Fertigung im Laufe der Jahre nicht wesentlich verändert. Was sich geändert hat, ist unsere Fähigkeit, Prozessergebnisse bei recht komplexen Eingabewerten vorherzusagen. Die Prozesse sind bei einer kleinen Teilmenge von Legierungen robuster und wiederholbarer geworden – Titanaluminide, Nickel-Superlegierungen, Alpha-Beta-Titan – vielleicht fünf oder sechs bewährte kommerzielle Legierungen.

Außerdem gibt es dieses enorme Potential – Materialien, die bereits existieren, aber (noch) nicht für diesen Prozess verwendet werden, und Materialien, die noch nicht existieren und demnach natürlich auch (noch) nicht verwendet werden. Es gibt also eine Unmenge an Arbeit, die noch darauf wartet, getan zu werden.

Was bringt die additive Fertigung mit sich, das es erfordert, einen neuen Ansatz für Prüfverfahren zu finden?
AM im Allgemeinen eignet sich für kleine Chargenmengen von Geometrien, die sehr komplex und ansonsten schwer herzustellen sind. Es mag erstaunen, aber additive Fertigung kann unglaublich langsam sein. Die Konstruktionszeiten können von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen oder noch mehr reichen.

Die eigentliche Stärke der additiven Fertigung liegt darin, dass keine teilespezifischen Werkzeuge gebraucht werden, und in der Idee, immer nur »ein« Objekt oder Element zu produzieren – ein individuelles, patientenspezifisches Implantat oder ein Ersatzteil für ein Flugzeug – das dann aber digital, vorhersehbar und rückverfolgbar.

Die größte Herausforderung ist dann die Qualitätskontrolle und -sicherung. Dies betrifft fast alle wichtigen Anwendungen, bei denen das Ausfallrisiko gering ist, die Kosten des Ausfalls aber sehr hoch sein können.

Wie können Sie als Prozessingenieur bei der Herstellung einer neuen kundenspezifischen Geometrie sicherstellen, dass sie alle Qualitätsanforderungen für eine bestimmte Anwendung erfüllt?
Das ist bei AM sehr schwierig, da es eine geometrische Abhängigkeit von den lokalisierten Wärmeeinträgen gibt. So können beispielsweise dick- und dünnwandige Teile innerhalb einer Schicht unterschiedliche thermische Einflüsse und damit unterschiedliche Erstarrungsgefüge – und natürlich auch Eigenschaften – aufweisen.

Darüber hinaus haben wir diesen schwer vorherzusagenden Satz stochastischer Randbedingungen um das Schmelzbad herum. Das Pulverbett selbst besteht aus sehr kleinen Partikeln, die in ihrer Größe variieren, sodass wir lokale Variationen in der Größenordnung von einigen hundert Mikrometern sehen. Dies führt zu einer erheblichen Veränderung der Packungsdichte und der  hermophysikalischen Eigenschaften des Schüttgutes, was zwangsläufig eine Änderung unserer Eingangsparameter – Leistung, Geschwindigkeit, Fokus – erfordert, um konstante Erstarrungsbedingungen aufrechtzuerhalten.

Die Frage ist, welche Modelltreue erforderlich ist, um diese Eigenschaften und Leistungen über mehrere Längenskalen vorherzusagen. Letztendlich möchte ich, dass dies in Echtzeit und integriert in viele Maschinensteuerungen geschieht, sodass Fehler in einem einzigen Prozessschritt identifiziert und beseitigt werden können.

Sie beschreiben ihre Forschung als anwendungsunabhängig. in der Praxis gibt es jedoch branchenspezifische Herausforderungen und Fälle von Skepsis. Wie gehen Sie damit um?
AM eignet sich besonders für spezielle Anwendungen mit hoher Wertschöpfung, oft in regulierten Umgebungen. Die Qualifizierung dieser Komponenten und Prozesse für nicht standardisierte oder stark variierende Geometrien wird zu einer großen Herausforderung. In bestimmten Branchen gibt es sehr viel Skepsis – aber eher eine » aufgeschlossene« Skepsis, und das ist gut so. Immerhin steht hier auch sehr viel auf dem Spiel. Als Forscher und Prozessingenieure müssen wir zeigen, wozu die Prozesse fähig sind, aber wir müssen auch Bewusstsein für deren Grenzen schaffen. Dazu ist das gebündelte Knowhow vieler verschiedener Disziplinen erforderlich.

Wenn wir uns einen Tag vorstellen, an dem wir beispielsweise Implantate im Operationssaal herstellen, müssten wir alle Erkenntnisse, Informationen, Materialeigenschaften,  Simulationswerkzeuge und Prozesssteuerungen in einem einzigen Arbeitsgang zusammenfassen. Wenn wir heute – zumindest in unserem Labor – Implantate entwerfen, haben wir alle zusammen im Raum – den betreuenden Arzt, den Chirurgen, oft den Radiologen, den Anästhesisten, die Ingenieure, die Modellierer –, und wir entwerfen dieses Implantat gleichzeitig.

Es ist ein Schritt in die richtige Richtung, aber dennoch ein langer Weg bis dorthin, wo wir sein müssen, um die »Vision« zu verwirklichen. Die Situation ändert sich nicht, egal ob es sich um einen Teilchenbeschleuniger, einen Reaktor oder eine Hochtemperaturanwendung in der Luftfahrt handelt.

Wie sieht der Prüfprozess aus und wie kontrollieren Sie diesen Prozess?
Die wissenschaftliche Frage ist: Wie beeinflussen wir die Qualitätskontrolle an einem einzelnen Bauteil? Wenn ich ein Implantat für einen Patienten herstelle, wie prognostizieren wir dann die Lebensdauer des Implantats? Wie können wir sicherstellen, dass Defekte innerhalb eines akzeptablen Konfidenzintervalls auftreten? Welche Werkzeuge brauche ich, um mein Konfidenzniveau zu erhöhen?

In der traditionellen Verarbeitung tun wir das, indem wir eine Stichprobe aus vielen verschiedenen Teilen durchführen. In der additiven Fertigung haben wir diese Vielfalt an Daten nicht immer. Ich denke, das ist der Punkt, an dem sich unsere Forschung heute befindet. Nun geht es um Materialentwicklung, das Durchbringen von Qualifizierungen, die Nutzung von Prozessüberwachungen, Prozesssteuerung und Post-Build-Inspektionen.

Vor kurzem haben wir eine Reihe von Sensoren entwickelt, die Artefakte des Elektronenstrahl-Schmelzprozesses (Electron Beam Melting – EBM) selbst nutzen, um während des Schmelzprozesses In-situ-Bilderfassungen zu ermöglichen und Daten in Echtzeit zu erzeugen. Im Wesentlichen haben wir unsere EBM- Systeme aus der Arcam-Produktion in Hochleistungs-Elektronenmikroskope umgewandelt, die auch Komponenten herstellen. Mit diesen Werkzeugen können wir Porosität, Rissbildung und Schwankungen in der Materialdichte und -zusammen-setzung identifizieren.

»Unsere Prognosen werden immer besser. In zwei oder drei Jahren werden wir ganz anders darüber sprechen.«

Welche Fortschritte sollten wir bei der Entwicklung der zerstörungsfreien Prüfung erwarten?
Es ist im Moment rechenintensiv und wir sind uns nicht immer ganz sicher, was wir mit den riesigen Datenmengen machen sollen, die wir generieren. Aber all diese Dinge schreiten unaufhörlich voran. Unsere Prognosen werden immer besser. In zwei oder drei Jahren werden wir ganz anders darüber sprechen.

Es wird viel Arbeit in die Wissenschaft der additiven Fertigung und Messung gesteckt. Die Modellierung der Prozesse und unser Verständnis der zugrunde liegenden Physik verbessert sich ständig. Und dabei verbessern sich die Prozesse selbst. Die Toleranzen werden immer enger. Standards und Best Practices entwickeln sich. Wenn all diese Faktoren zusammenkommen, werden wir in der Lage sein, innerhalb engerer Grenzen in den Bereichen Fertigung und Konstruktion zu arbeiten.

Was können Sie über das »Konsortium für die Eigenschaften von additiv hergestelltem Kupfer« und die Arbeit dahinter verraten?
Wir beobachten seit Jahren eine wachsende Nachfrage nach anspruchsvollen Lösungen in den Bereichen Leistungselektronik, Hochfrequenzgeräte, Beschleunigerkomponenten und  Wärmemanagement mit hochreinem, sauerstofffreiem, elektronischem Kupfer. Es ist jedoch schwierig, Kupfer mit schweißbasierten additiven Fertigungsverfahren zu verarbeiten und die für diese Anwendungen erforderliche Qualität, Dichte und Reinheit zu erhalten.

Wir haben auf diesem Gebiet einiges an Forschung betrieben und einige brauchbare Demos durchgeführt. Die Umsetzung dieser Ergebnisse in eine Reihe von qualifizierten Komponenten und Prozessen erfordert, dass wir das wachsende Interesse und die Unterstützung der Maschinenhersteller, Pulvermateriallieferanten, Teilehersteller und Endverbraucher nutzen. So wurde dieses Konsortium als Auftakt zur Qualifizierung von additiv hergestelltem Kupfer gegründet, um uns ein tiefes Verständnis des Werkstoffes selbst und des Einflusses externer Faktoren wie Sauerstoffgehalt, Orientierung innerhalb des Bauteils und effektive Geometrie zu vermitteln. Wir versuchen, dasselbe Verständnis für Kupfer zu entwickeln, wie wir es heute zum Beispiel für ausgereiftere Materialien wie Titan haben.

Die Gründungsmitglieder der Gruppe sind GE Additive, Siemens, Radiabeam Technologies und Calabazas Creek Research, und wir holen aktiv weitere Mitglieder hinzu. Je mehr Mitglieder wir haben, desto mehr Ressourcen können wir für die Robustheit des von uns erzeugten Datensatzes einsetzen.

Vielen Dank für das Interview!

Dank seinem vielfältigen Hintergrund hat Tim Horn gleich mehrere Jobtitel: Neben seiner Tätigkeit als Assistenzprofessor für Maschinen bau und Luftfahrttechnik an der North Carolina State University ist er Leiter der Forschungsabteilung im Center for Additive Manufacturing and Logistics und Leiter des Konsortiums für die Eigenschaften von additiv hergestelltem Kupfer (Consortium on the Properties of Additively Manufactured Copper).

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