Eignung verschiedener Messverfahren für die Additive Fertigung

Was Sie hier erwartet:

1. EINFÜHRUNG
2. MIKROSKOPISCHE ANALYSE VON QUERSCHLIFFEN
3. COMPUTERTOMOGRAPHIE (CT)
4. MANUELLE ARCHIMEDES-METHODE
5. AUTOMATISIERTE DICHTEBESTIMMUNG
6. FAZIT

Einführung

Die additive Fertigung stellt hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung, insbesondere bei der Bestimmung der Dichte und Porosität der gefertigten Bauteile. Verschiedene Messverfahren kommen zum Einsatz, um diese Parameter präzise zu ermitteln. In diesem Artikel werden die Eignung und spezifischen Vor- und Nachteile der mikroskopischen Analyse von Querschliffen, der Computertomographie, der manuellen Archimedes-Methode und der automatisierten Dichtebestimmung für die additive Fertigung beleuchtet.

Mikroskopische Analyse von Querschliffen

Die mikroskopische Analyse von Querschliffen ist eine etablierte Methode zur Bestimmung der Dichte und Porosität von additiv gefertigten Bauteilen. Dieses Verfahren ermöglicht eine detaillierte Betrachtung der Mikrostruktur eines Werkstoffs, indem ein präparierter Querschliff unter dem Mikroskop untersucht wird. Die Methode bietet eine hohe Auflösung und ermöglicht die genaue Identifikation und Klassifizierung von Poren und anderen Defekten. Jedoch ist die mikroskopische Analyse von Querschliffen eine destruktive Methode, die eine wiederholte Messung an derselben Probe unmöglich macht. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar, insbesondere bei der Analyse teurer oder schwer reproduzierbarer Bauteile. Zudem erfordert die Probenpräparation viel Zeit und Sorgfalt, und die Qualität der Ergebnisse kann stark von der Erfahrung des Anwenders abhängen. Die Methode ist auch nur bedingt geeignet für die Analyse von Volumenproben, da sie lediglich zweidimensionale Schnitte betrachtet und daher keine vollständige Aussage über die gesamte Probe ermöglichen kann.

Trotz dieser Einschränkungen bleibt die mikroskopische Analyse von Querschliffen aufgrund ihrer hohen Auflösung und Detailgenauigkeit ein wertvolles Werkzeug in der Materialforschung und Qualitätssicherung. Für die additive Fertigung eignet sie sich besonders zur detaillierten Untersuchung spezifischer Bereiche und zur Identifikation von Defekttypen, bietet jedoch nur eingeschränkte Möglichkeiten zur umfassenden Analyse großer oder komplexer Bauteile

Computertomographie (CT)

Die Computertomographie (CT) ist eine fortschrittliche, nicht-destruktive Methode, die es ermöglicht, dreidimensionale Bilder eines Bauteils zu erstellen. Diese Methode ist besonders geeignet für die Analyse der inneren Struktur und Dichte von additiv gefertigten Bauteilen. CT-Scans liefern detaillierte Informationen über die Verteilung und Größe von Poren im gesamten Volumen des Bauteils, was eine umfassende Qualitätsbewertung ermöglicht.

Ein großer Vorteil der CT ist die Fähigkeit, Defekte und Inhomogenitäten im Inneren eines Bauteils zu detektieren, ohne die Probe zu zerstören. Dies ist besonders wichtig für die Qualitätssicherung in der Serienfertigung, wo Bauteile vollständig intakt bleiben müssen. Die dreidimensionale Natur der CT-Daten ermöglicht es, präzise Aussagen über die gesamte Struktur des Bauteils zu treffen, was bei zweidimensionalen Methoden wie der mikroskopischen Analyse von Querschliffen nicht möglich ist.

Jedoch ist die CT-Methode mit erheblichen Kosten und technischen Anforderungen verbunden. Hochauflösende CT-Scanner sind teuer in der Anschaffung und im Betrieb. Zudem erfordert die Bedienung und Auswertung der CT-Daten spezialisierte Kenntnisse und Erfahrung. Die Auflösung des CT-Scanners hängt stark von der Größe und Geometrie des Bauteils ab, was die Detektion kleiner Poren in großen Bauteilen erschweren kann. Trotz dieser Herausforderungen bietet die CT aufgrund ihrer umfassenden und nicht-destruktiven Analysefähigkeiten eine hohe Eignung für die additive Fertigung, insbesondere für komplexe und hochkritische Bauteile.

Manuelle Archimedes-Methode

Die manuelle Archimedes-Methode ist eine traditionelle und weit verbreitete Technik zur Dichtebestimmung, die auf der Messung des Gewichts eines Probekörpers in Luft und in einem Fluid basiert. Diese Methode ist vergleichsweise einfach und kostengünstig durchzuführen und erfordert keine aufwendige technische Ausrüstung. Sie ist daher eine attraktive Option für viele Anwendungen in der additiven Fertigung.

Die Hauptstärken der manuellen Archimedes-Methode liegen in ihrer Einfachheit und Zugänglichkeit. Die Methode kann schnell durchgeführt werden und liefert unmittelbare Ergebnisse. Dies macht sie besonders geeignet für schnelle und grobe Schätzungen der Dichte, wenn hohe Präzision nicht unbedingt erforderlich ist. Allerdings hat die manuelle Archimedes-Methode auch signifikante Einschränkungen hinsichtlich ihrer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Die Messergebnisse können stark von der Präzision und Sorgfalt des Anwenders abhängen, und kleine Variationen in der Handhabung oder bei der Benetzung der Probe können zu erheblichen Messfehlern führen.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die manuelle Archimedes-Methode keine Informationen über die räumliche Verteilung von Poren oder Defekten liefert. Sie bietet lediglich einen Durchschnittswert der Dichte, ohne Aufschluss über die spezifische Mikrostruktur des Bauteils zu geben. Dies schränkt ihre Eignung für Anwendungen ein, bei denen eine detaillierte Analyse der inneren Struktur und Verteilung von Porositäten erforderlich ist. Insgesamt eignet sich die manuelle Archimedes-Methode für einfache und schnelle Dichtebestimmungen, ist jedoch aufgrund ihrer begrenzten Genauigkeit und fehlenden Detailtiefe weniger geeignet für anspruchsvolle Anwendungen in der additiven Fertigung

Automatisierte Dichtebestimmung

Die automatisierte Dichtebestimmung, basierend auf dem Archimedes-Prinzip, kombiniert die Einfachheit der traditionellen Methode mit der Präzision und Konsistenz moderner Automatisierungstechnologie. Diese Methode eliminiert viele der manuellen Einflussfaktoren und bietet dadurch eine deutlich höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. In diesem Verfahren werden die Proben in speziell entwickelten Bauteilträgern durch einen Achsroboter präzise auf die Waagen gesetzt. Die gesamte Messung erfolgt automatisiert, von der Gewichtsmessung in Luft bis zur Messung im Fluid. Dies stellt sicher, dass jede Probe unter identischen Bedingungen gemessen wird, was die Variabilität der Ergebnisse erheblich reduziert.

Ein weiterer Vorteil der automatisierten Dichtebestimmung ist die Möglichkeit zur Integration in bestehende Qualitätssicherungssysteme und Produktionslinien. Die Ergebnisse können automatisch an übergeordnete Systeme übertragen werden, was eine schnelle und effiziente Datenverarbeitung ermöglicht. Die automatisierte Methode ist zudem rückführbar, was bedeutet, dass die Ergebnisse über eine Messkette auf anerkannte Standards bezogen werden können. Dies ist besonders wichtig für industrielle Anwendungen, wo Konsistenz und Nachverfolgbarkeit entscheidend sind.

Die Automatisierung ermöglicht auch eine hohe Messgeschwindigkeit und einen geringeren Personalaufwand, was die Effizienz der Qualitätskontrolle erheblich steigert. Allerdings erfordert die Einrichtung und Wartung der automatisierten Systeme eine anfängliche Investition und technisches Know-how. Trotz dieser anfänglichen Hürden bietet die automatisierte Dichtebestimmung aufgrund ihrer hohen Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Effizienz eine hervorragende Eignung für die additive Fertigung und ist besonders geeignet für Serienproduktionen und industrielle Anwendungen.

Fazit

Die Eignung der verschiedenen Messverfahren zur Dichtebestimmung in der additiven Fertigung variiert je nach spezifischen Anforderungen und Anwendungsfällen. Die mikroskopische Analyse von Querschliffen bietet detaillierte Einblicke in die Mikrostruktur, ist jedoch destruktiv und zeitaufwändig. Die Computertomographie ermöglicht eine umfassende dreidimensionale Analyse, ist jedoch teuer und erfordert spezialisierte Kenntnisse. Die manuelle Archimedes-Methode ist einfach und kostengünstig, jedoch weniger präzise und detailliert. Die automatisierte Dichtebestimmung kombiniert die Vorteile der traditionellen Methode mit der Präzision und Effizienz moderner Automatisierung und ist besonders geeignet für industrielle Anwendungen und Serienfertigungen. Jede Methode hat ihre spezifischen Stärken und Schwächen, sodass die Auswahl des passenden Verfahrens von den individuellen Anforderungen und der jeweiligen Anwendungssituation abhängt.

Quelle: Analyse von Messverfahren zur Dichtebestimmung - Fraunhofer IAPT - Dimensionics Density GmbH