Warum die additive Fertigung einen anderen Ansatz für die mechanische Prüfung erfordert
Vom Prototyping zur Produktion: Was sich ändert, wenn die additive Fertigung skaliert
Die additive Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck, hat sich weit über ihre frühe Rolle als Werkzeug für das Rapid Prototyping hinausentwickelt. Heute wird sie zunehmend für die Serienproduktion funktionaler, tragender Komponenten in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt. Mit der zunehmenden Verbreitung steigt auch der Bedarf an wiederholbaren und genauen mechanischen Prüfungen, um Leistung, Zuverlässigkeit und regulatorische Sicherheit zu gewährleisten.
Diese Blogbeitragsserie beleuchtet die Grundlagen der additiven Fertigung, die einzigartigen Prüfherausforderungen bei additiv gefertigten Teilen und wie der richtige Prüfansatz und der richtige Prüfpartner Ingenieuren ermöglichen, die additive Fertigung sicher von der Entwicklung in die Produktion zu überführen.
Was ist additive Fertigung?
Die additive Fertigung ist der Prozess der Herstellung von Objekten durch schichtweises Hinzufügen von Material direkt aus einem digitalen Modell. Dieser Ansatz steht im Gegensatz zur traditionellen subtraktiven Fertigung, bei der Material durch Bearbeitung von einem festen Block entfernt wird.
Diese schichtweise Methode eröffnet mehrere wesentliche Vorteile. Die additive Fertigung bietet eine beispiellose Designfreiheit, die komplexe interne Merkmale, Gitterstrukturen und Geometrien ermöglicht, die maschinell unpraktisch oder unmöglich wären. Sie unterstützt auch eine schnelle Iteration, wodurch die Entwicklungszyklen vom Konzept bis zum physischen Teil drastisch verkürzt werden. Darüber hinaus kann die additive Fertigung für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen aufgrund minimaler Werkzeuganforderungen sehr kostengünstig sein und gleichzeitig den Materialabfall reduzieren. Diese Vorteile machen die additive Fertigung besonders attraktiv für die kundenspezifische On-Demand-Produktion.
Diese Vorteile führen jedoch auch neue Variablen ein, die durch hochwertige Prüfungen verstanden, gemessen und kontrolliert werden müssen.
Wichtige Technologien der additiven Fertigung
Eine breite Palette additiver Technologien wird heute in industriellen Anwendungen eingesetzt, jede mit ihren eigenen Materialeigenschaften und Prüfanforderungen.
Fused Deposition Modeling (FDM) ist eines der am weitesten verbreiteten additiven Fertigungsverfahren. Es funktioniert durch Schmelzen und Extrudieren eines Filaments durch eine Düse, typischerweise unter Verwendung von Thermoplasten. Während FDM historisch auf Polymere beschränkt war, ist es heute auch für Metalle und faserverstärkte Verbundwerkstoffe verfügbar.
Directed Energy Deposition (DED) ist ein Verfahren, bei dem fokussierte Energie Material schmilzt, während es aufgetragen wird, wobei Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) eine DED-Variante mit hoher Abscheiderate ist, die effektiv ein kontrollierter Schweißprozess ist. WAAM eignet sich besonders gut für die Herstellung großer Metallkomponenten und bietet eine kostengünstigere Lösung für große Metallkonstruktionen.
Pulverbettfusions-Technologien verwenden eine Wärmequelle, um pulverförmiges Material Schicht für Schicht zu verschmelzen, darunter:
- Selektives Laserschmelzen (SLM) für hochdichte Metallteile
- Selektives Lasersintern (SLS) für Polymerkomponenten
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM) für reaktive Metalle wie Titan
- Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) für Präzisionsmetallanwendungen
Andere Verfahren wie Binder Jetting und Stereolithographie (SLA) erweitern die Landschaft der additiven Fertigung weiter und erhöhen die Vielfalt der Materialien und Prüfanforderungen, die Ingenieure bewältigen müssen.
Markttrends und Wachstum
Die additive Fertigung wird heute in den Bereichen Metalle, Polymere, Keramiken und Verbundwerkstoffe eingesetzt, wobei die Anwendung Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Biomedizin, Elektronik, Bauwesen, Werkzeugbau und Konsumgüter umfasst. Der globale Markt wird derzeit auf mehrere zehn Milliarden Dollar geschätzt und soll im kommenden Jahrzehnt rapide wachsen.
Wichtige Wachstumsbereiche umfassen neue und optimierte Materialien wie neuartige Metalllegierungen und nachhaltige Materialien, Multimaterialdruck für Teile mit räumlich variierenden Eigenschaften sowie KI-gestütztes Design, Prozess- und Qualitätsoptimierung.
Da die additive Fertigung zu einem zentralen Fertigungsweg für strukturelle und sicherheitskritische Teile wird, wird die mechanische Prüfung additiv gefertigter Teile nicht nur für Forschung und Qualifizierung, sondern auch für Validierung und Zertifizierung immer häufiger eingesetzt.
Herausforderungen in der additiven Fertigung
Bei der Betrachtung der mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Teile wirken sich mehrere technische Herausforderungen direkt auf die mechanische Leistung aus.
Additiv gefertigte Teile weisen häufig Defekte wie Porosität, mangelnde Fusion und Oberflächenrauheit auf, die zu mechanischer Schwäche führen können. Diese entstehen, weil Teile effektiv aus Tausenden kleiner, inkrementeller „Güsse“ bestehen, von denen jeder potenzielle Unvollkommenheiten mit sich bringt. Nachbearbeitungstechniken wie Bearbeitung und Wärmebehandlung können diese Probleme reduzieren, aber nicht vollständig beseitigen.
Eine weitere große Herausforderung ist die erhöhte Variabilität der Materialeigenschaften. Variationen innerhalb eines einzelnen Teils, als Inhomogenität bezeichnet, können aufgrund von Unterschieden in der Wärmeableitung entlang der Druckpfade auftreten. Zusätzlich kann Variabilität von Teil zu Teil, von Bediener zu Bediener, von Maschine zu Maschine sowie mit Prozess- und Produktionsparametern auftreten. Diese Variabilität kann die für zuverlässige Daten erforderliche Stichprobengröße beeinflussen.
Schließlich weisen additiv gefertigte Komponenten oft stark gerichtete Eigenschaften auf, bekannt als Anisotropie. Da Teile Schicht für Schicht aufgebaut werden, sind die mechanischen Eigenschaften in der Aufbau-(Z)-Richtung typischerweise schwächer als die in der XY-Ebene. Dieses gerichtete Verhalten hat wichtige Auswirkungen auf die genaue Ausrichtung, Kontrolle und Wiederholbarkeit während der Prüfung.
Der Instron-Ansatz: Präzise und zuverlässige Prüfung
Da die additive Fertigung eine höhere Variabilität, eine größere Datenstreuung und ein stark gerichtetes Verhalten mit sich bringt, ist die Qualität des Prüfsystems ebenso wichtig wie das Material selbst. Eine rigorose mechanische Prüfung ist unerlässlich, um das wahre Materialverhalten von prüfungsinduzierten Effekten zu unterscheiden.
Instron® Prüfsysteme sind darauf ausgelegt, die Präzision, Stabilität und Wiederholbarkeit zu liefern, die für additiv gefertigte Materialien vom frühen Materialscreening bis zur vollständigen Qualifizierungsprüfung erforderlich sind. Durch die Kombination von präziser Kraft- und Dehnungsmessung mit anwendungsspezifischen Spannvorrichtungen und fachkundiger Unterstützung ermöglicht Instron Ingenieuren, zuverlässige Daten zu generieren, denen sie vertrauen können.
In einer Fertigungslandschaft, in der die Leistung durch Defekte, Variabilität und Anisotropie definiert wird, ist die Partnerschaft mit einem führenden Prüfanbieter wie Instron unerlässlich, um innovative Designs in zuverlässige, produktionsreife Komponenten umzuwandeln.
Über den Autor
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Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove ist Business Development Manager für ElectroPuls® bei Instron. Ihr Hintergrund umfasst einen MSci der University of Cambridge mit Schwerpunkt auf den Oberflächeneigenschaften additiv gefertigter Teile sowie frühere Tätigkeiten in der Materialprüfung für die additive Fertigungsindustrie. Bei Instron hatte sie eine Reihe von technischen und kommerziellen Rollen inne, die ihr ein fundiertes Verständnis sowohl der Technologie als auch der Kundenherausforderungen vermittelten, die sie adressiert.