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Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.

Der Vortrag gibt einen Überblick über die Aktivitäten im QI-Digital Use Case Additive Fertigung, den aktuellen Stand und nächste Schritte. Es wurde eine digitale Prozesskette für den PBF-LB/M Prozess aufgebaut. Hier werden Daten entlang der gesamten Fertigungsstrecke gesammelt, ausgewertet und zur Qualitätssicherung weiterverarbeitet. Die grundlegende Datenstruktur wurde in die Normung überführt.

Die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) ist bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur (QI) bewährt. Die additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheitsrelevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses.

Neben der klassischen Durchstrahlung wird die bildgebende Röntgen-rückstreuung bisher nur sehr begrenzt eingesetzt. Vor über 20 Jahren hatte Philips mit „COMSCAN“ eine erste industrielle Anwendung in der Luftfahrt gefunden, die sogar eine Tiefenauflösung besaß. Die Firma AS&E in Boston bietet Röntgenrückstreu-Anlagen für den Sicherheitsbereich an. In diesen wird mit einem hochkollimierten Nadelstrahl aus einem rotierenden Blendenrad ein Objekt einseitig abgetastet. Zur Detektion der gestreuten Strahlung aus dem Objekt werden großflächige Detektoren direkt neben dem rotierenden Nadelstrahlkollimator eingesetzt. Ein solcher Prototyp wird an der BAM für den Einsatz in der zerstörungsfreien Prüfung untersucht und optimiert. Als neues industrielles Einsatzgebiet wird dabei die in situ Überwachung in der additiven Fertigung avisiert. Hier ist die Zugänglichkeit zum entstehenden Werkstück in den 3D-Druckanlagen stark eingeschränkt, was den Einsatz einer zweiseitigen Durchstrahlung oder der Computer-Tomographie, bei der das Objekt rotiert wird, verhindert. Auch sind die in der additiven Fertigung eingesetzten Werkstoffe (Polymere, Keramik, Leichtmetalle wie Al oder Ti) für die Rückstreuung besser geeignet als Metalle höherer Dichte, da das Streusignal mit der Ordnungszahl und der Materialdichte abnimmt. Allerdings sind die Anforderungen an räumliche Auflösung und Kontrastempfindlichkeit in der zerstörungsfreien Prüfung additiv gefertigter Bauteil deutlich höher als im Sicherheitsbereich, da hier Bauteilfehler mit typischen Dimensionen kleiner als 1 mm sicher detektiert werden müssen. Die Untersuchung dieser Grenzen des derzeitigen Standes der Röntgenrückstreutechnik mit Nadelstrahl ist ein Teilbereich des mehrjährigen BAM-Themenfeldprojektes „ProMoAM“. Im Vortrag werden die ersten Ergebnisse der Optimierung sowie die gefundenen Anwendungsgrenzen an Beispielen erläutert.

Der Einsatz von Stählen mit höheren Streckgrenzen erlaubt die Reduzierung von Wandstärken, Bauteilgewicht und Fertigungskosten. Mittels hybrid-additiver Fertigung auf Basis von MSG-Schweißverfahren (DED-Arc) können hocheffizient Bauteilmodifikationen und -reparaturen an Halbzeugen sowie (primär) additiv gefertigten Strukturen realisiert werden. Der breiten Anwendung, gerade bei KMU, stehen noch wesentliche Fragestellungen entgegen. Neben der fertigungstechnischen Gestaltung, Aufbaustrategie und geometrischen Bauteiladaption für Modifikatio-nen oder Reparaturen betrifft dies die schweißbedingten Beanspruchungen im Zusammenhang mit den mikrostruk-turellen Einflüssen durch die additiven Fertigungsschritte insbesondere im Anbindungsbereich von Substrat und Schweißzusatzwerkstoff. Hierfür werden in einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1660/IGF22628BG) der BAM und der TU Chemnitz systematisch Kenntnisse zur metallurgischen Auswirkung sowie zu den resultieren-den Spannungen und Dehnungen beim hybrid-additiven MSG-Schweißen von hochfesten Stählen speziell im Übergangsbereich zwischen Substrat und additiv gefertigter Struktur erarbeitet. Der vorliegende Beitrag fokussiert die durchgeführten Analysen zur Auswirkung der Wärmeführung der AM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge und Eigenspannungen, insbesondere im Anbindungsbereich. Hierfür wurden definierte Probenkörper vollautomatisiert mit einem hochfesten speziell für DED-Arc angepassten Massivdraht (Streckgrenze > 790 MPa) auf Substrat-Körper aus S690QL-Grundwerkstoff geschweißt und die Arbeitstemperatur sowie die Streckenenergie innerhalb eines Design of Experiments variiert. Hinsichtlich der Schweißwärmeführung wurden t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Wärmeführung auf die lokalen Eigenspannungen insbesonde-re im Anbindungsbereich. Mit den Ergebnissen lassen sich Verarbeitungsempfehlungen erarbeiten, um DED-Arc-Prozesse für beanspruchungsgerechte und risssichere hybrid-additive Fertigung zur Bauteilmodifizierung und -reparatur zu etablieren. Dies ermöglicht gerade KMU eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Fertigung hochfester Stahlkomponenten.