Qualitätsüberwachung im 3D-Druck

Der Demonstrator der Modellfabriken Prozessdaten und 3D-Druck zeigt wie Techniken der Bilderfassung zur Qualitätssicherung im 3D-Druck beitragen können.

Gleichzeitig ist der Aufbau so flexibel konzipiert, dass er auch für andere messtechnische Überprüfungen während oder nach einem Produktionsprozess eingesetzt werden kann.

Problemstellung

Immer mehr Unternehmen haben eigene 3D-Druck-Technik im Einsatz, um zum Beispiel Produktkomponenten in kleinen Stückzahlen, Ersatzteile oder Hilfsmittel für ihre Produktion schnell und flexibel herstellen zu können. Am häufigsten kommen dabei Drucker mit dem FDM-Verfahren (deutsch: Schmelzschichtung; geschützter Eigenname der Firma Stratasys Ltd) zum Einsatz. Die Technik ist grundsätzlich auch für Einsteiger gut handhabbar, die Vielfalt an druckbarem Material groß bei vergleichsweise geringen Kosten. Demgegenüber stehen aber auch Nachteile: zum Beispiel, dass der Druckprozess nicht immer stabil abläuft und das Bauteil dann entweder nicht korrekt gedruckt oder der Druck ganz abgebrochen wird. Weiterhin ist die Reproduzierbarkeit von Formtreue und Oberflächengüte bei der Herstellung mehrerer Bauteile nicht immer gegeben.

In der Modellfabrik 3D-Druck ist zur Überwachung des Druckprozesses bereits ein Demonstrator im Einsatz. Er ermöglicht eine einfache Sichtkontrolle über eine Webcam sowie das Erfassen und Visualisieren von Umgebungsparametern, zum Beispiel der Temperaturen des Bauraums und der Druckerdüsen mit Hilfe von Dashboard-Tools. Eine echte Dokumentation des schichtweisen Aufbaus war bisher nicht möglich.

Zielsetzung

Zur Lösung der beschriebenen Herausforderungen beim 3D-Druck im FDM-Verfahren sollte in einem ersten Schritt mit Hilfe eines bildgebenden Messverfahrens die Möglichkeit geschaffen werden, den Druck eines Bauteils Schicht für Schicht zu dokumentieren. Über eine Kamera erfasste Bilder können mit den Schichtdaten aus dem 3D-Modell des Bauteils verglichen werden. Diese SOLL-IST-Analyse wird durch eine intelligente Bildverarbeitungssoftware unterstützt. Sie visualisiert vorhandene Abweichungen und liefert damit die Basis für Aussagen zur Qualität des gedruckten Bauteils.

Im zweiten Schritt sollen die erfassten Bilddaten für eine teilautomatisierte Qualitätskontrolle genutzt werden. Überschreiten die Abweichungen ein definiertes Maß, wird der Bediener automatisch benachrichtigt und kann entscheiden, ob der Druckprozess fortgesetzt oder unterbrochen wird.

In der dritten Ausbaustufe soll eine vollautomatisierte Lösung vorliegen, bei der das System selbst entscheidet, wie bei Abweichungen weiter verfahren wird.

Insgesamt war es Ziel, den Aufbau so flexibel zu gestalten, dass er sowohl für verschiedene 3D-Drucker als auch für andere messtechnische Überprüfungen von Bauteilen während oder nach einem Produktionsprozess eingesetzt werden kann. Aufgrund der gegebenen Übertragbarkeit des Demonstrators auf andere Aufgabenstellungen ist es der Modellfabrik Prozessdaten möglich, das System in unterschiedlichen Umsetzungsprojekten mit Unternehmen zu nutzen.

Projektbeschreibung

Um während und nach dem 3D-Druck von Bauteilen und Komponenten die relevanten Geometrie- und der Oberflächenkenngrößen an diesen berührungslos erfassen und messtechnisch charakterisieren zu können, wurde nach den systematisch erarbeiten Anforderungen für die Qualitätskontrolle im 3D-Druck ein flexibel einsetzbarer Demonstrator aufgebaut. Dieser ist mit einer hochauflösenden Kamera ausgestattet, die in den drei Raumrichtungen mit der notwendigen Ortsauflösung über die rechnergesteuerten drei Antriebseinheiten bewegt werden kann. Der realisierte Demonstrators basiert auf einem fahrbaren Grundgestell und die mechanische Gestaltung ermöglicht 3D-Drucker zu integrieren, um durch eine flexibel steuerbare Bildaufnahme Schicht für Schicht vom zu realisierenden Bauteil während des additiven Fertigungsprozesses erfassen und anschließend messtechnisch bewerten zu können. Es kommt eine Dunkelfeld-Auflichtbeleuchtung zum Einsatz und in Abhängigkeit der zu erfassenden Bauteilgröße erfolgt die Auswahl des entsprechenden Objektivs. Die Kommunikation zwischen dem Drucker und der Achssteuerung zur Positionierung der Kamera erfolgt über eine angepasste Hardwareschnittstelle.

Nach dem Aufbau und der sich anschließenden Testphase des Demonstrators schloss sich eine schrittweise Optimierung an. Der finale Aufbau in der ersten Ausbaustufe wurde erfolgreich zum Abschluss gebracht.

Mehrwert für KMU

Der Demonstrator kann aufgrund seines flexiblen Aufbaus auf unterschiedlichste messtechnische Überprüfungen im Rahmen der Qualitätssicherung von Unternehmen adaptiert werden.