Additive CT

Einsatzpotenziale von CT für die additive Fertigung

Computertomographie-Messgeräte (CT) bieten einzigartige Möglichkeiten, die Qualitätssicherung für die Teileprüfung beim Thema Additive Manufacturing, sowohl hinsichtlich Geometrien als auch Materialkonsistenz zu unterstützen.

(Bild: Wenzel Group GmbH & Co. KG)

Additive Manufacturing (AM) durchlebt derzeit den typischen Verlauf einer neuen Technologie. Erst als Heilsbringer überschwänglich gelobt, dann als praxisuntauglich verstoßen und nun auf dem Weg zu einer realen Alternative in der Fertigung. Einer der wesentlichen Vorteile von AM ist es, dass schon bei der Konstruktion, durch den schichtweisen Aufbau bzw. das Schmelzen, auch komplexe und vor allem hybride Materialien gleichzeitig verbunden werden. Es gibt dabei sehr unterschiedliche additive Fertigungsverfahren mit einer enormen Spannbreite an Kosten für Drucker und Material. Einige, oft günstige Verfahren, erhitzen Filamente aus Kunststoff, andere verfestigen Flüssigkeiten zu robusten Körpern oder schmelzen sehr kostenintensiv mit Laser- oder Elektronenstrahlen Pulver auf. Gemeinsam ist allen Verfahren, dass auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Im Vergleich zur subtraktiven Fertigung erlaubt AM, nahezu beliebige Formen mit sehr unterschiedlichen Materialien herzustellen. Hinsichtlich der in der AM verwendeten Materialien liegen Kunststoffe an der Spitzenposition, dicht gefolgt von Metallen. Die Gebiete in denen AM eingesetzt wird, liegen in der Luft-/Raumfahrt, Automotive, Medizin- und Dentaltechnik, aber auch Design und Kunst. Während vor einigen Jahren AM vor allem für den Prototypenbau eingesetzt wurde, erobert AM mittlerweile auch den Werkzeugbau und die (Klein-)Serienproduktion.

QS additiv hergestellter Teile

Generell müssen alle industriell gefertigten Bauteile, so auch die mit AM gefertigten Teile, einer Maßhaltigkeitsprüfung unterzogen werden. Über die erreichbaren Genauigkeiten der mit AM hergestellten Produkte ist (noch) relativ wenig bekannt. Hierbei können CTs eine sehr nutzbringende Lösung sein. In der CT wird ein Körper mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Zur Anfertigung eines CT-Scans wird der Körper im Strahlengang gedreht. Unter verschiedenen Winkelstellungen werden einige hundert bis wenige tausend Röntgenbilder von einem Detektor digital aufgezeichnet. Am Ende des Scanprozesses liegt das Ergebnis, die 3D-Materialverteilung, digital im Speicher des Computers vor. Mittels CT lassen sich demnach Materialverteilungen hinsichtlich ihrer Dichte bzw. Elemente voneinander unterscheiden. Prinzipiell ließen sich alle Körper mit diesem Verfahren digitalisieren, jedoch besitzt das Verfahren physikalische Grenzen. Daher ist es entscheidend, für die jeweilige Anwendung die passende CT-Lösung zu suchen. So bietet Wenzel z.B. für kleine Kunststoff- und Verbundteile mit dem exaCT S ein Gerät mit einer Leistung von 130kV und einem Gewicht von ca. 450kg an. Für größere Teile, auch aus Metall bietet sich das exaCT U mit 300kV an. Das Gerät muss jedoch aufgrund der höheren Leistung deutlich besser abgeschirmt werden und bringt knapp acht Tonnen auf die Waage. Die erste nutzbringende Anwendung eines CT liegt im Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung. Durch die Möglichkeit, die innere Struktur von Materialien in hochaufgelösten Bildern darzustellen, lassen sich strukturelle Fehlstellen leicht erkennen. Dies ist vor allem in der aktuellen Einführung von AM in die industrielle Nutzung von Vorteil, schafft diese Prüfung doch Vertrauen für diese neue Technologie bei Produzent und Kunde. Eine weitere Anwendung der CT ist die Montageprüfung. Die Funktionen eines Bauteils zerstörungsfrei im bereits zusammengebauten Zustand zu verifizieren, ist in der Regel eine Herausforderung. Auch hier erlaubt die materialauflösende Abbildung der CT, die Beurteilung der Funktion, ohne das Bauteile zu zerlegen. In der Verwendung als Koordinatenmessgerät bietet ein CT die Möglichkeit, nahezu beliebige Geometrien schnell und genau zu erfassen. Gerade bei hybriden Bauteilen ist ein CT eine einzigartige Möglichkeit zur Validierung des Teils im Vergleich zum CAD-Datensatz. Sofern sich also das Bauteil wegen seiner Dichte und Größe mit Röntgenstrahlen durchstrahlen lässt, spielt die Komplexität der Geometrie für die Genauigkeit des CT-Messverfahrens eine untergeordnete Bedeutung.

Fazit

CT und AM sind zwei vergleichsweise junge Technologien, die sich hervorragend miteinander verbinden. Während AM neue Strukturen erlaubt, erfolgt die Qualitätsabsicherung dieser neuen Konstruktionen und Produktionen durch ein CT. Auf Basis der Ergebnisse werden in Zukunft Korrekturmethoden für Konstruktionsdaten generiert, welche sowohl die Maßhaltigkeit, als auch die mechanische Stabilität von 3D-gedruckten Teilen entscheidend verbessern können.