Zeitaufwand v. Messverfahren zur Dichtebestimmung in Additiver 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 Bestimmung der Dichte und Porosität von Bauteilen in der additiven Fertigung erfordert präzise und zuverlässige Messverfahren. Neben Genauigkeit und Reproduzierbarkeit spielt der zeitliche Aufwand eine entscheidende Rolle bei der Auswahl des geeigneten Verfahrens. In diesem Artikel werden die Zeitaufwände der mikroskopischen Analyse von Querschliffen, der Computertomographie, der manuellen Archimedes-Methode und der automatisierten Dichtebestimmung detailliert untersucht.

Mikroskopische Analyse von Querschliffen

Die mikroskopische Analyse von Querschliffen ist ein aufwändiger und zeitintensiver Prozess. Dieser beginnt mit der Vorbereitung der Probe, die in eine Epoxidharzmatrix eingebettet wird. Diese Einbettung dauert etwa 15 Minuten, gefolgt von mehreren Schleif- und Polierschritten, die insgesamt etwa 240 Minuten in Anspruch nehmen. Die Vorbereitung der Proben für die mikroskopische Analyse erfordert zudem eine sorgfältige Handhabung, um eine glatte und plane Schnittfläche zu erhalten, die Defekte wie Poren oder Risse sichtbar macht.

Nach der Probenpräparation erfolgt die mikroskopische Untersuchung. Die Erstellung von Schliffbildern und deren Analyse unter dem Mikroskop nimmt weitere 2 Minuten pro Probe in Anspruch. Insgesamt beläuft sich der Zeitaufwand für die mikroskopische Analyse eines Querschliffs auf etwa 290 Minuten. Dieser Prozess ist nicht nur zeitintensiv, sondern erfordert auch spezialisierte Kenntnisse und Erfahrung des Anwenders, um qualitativ hochwertige Ergebnisse zu erzielen.

Die mikroskopische Analyse von Querschliffen ist daher in der additiven Fertigung besonders geeignet für die detaillierte Untersuchung einzelner Proben, wenn eine hohe Auflösung und spezifische Informationen über die Mikrostruktur benötigt werden. Für die Analyse größerer Serien oder für den Einsatz in der Serienproduktion ist dieser Ansatz aufgrund des hohen Zeitaufwands und der notwendigen manuellen Schritte jedoch weniger praktikabel.

Computertomographie (CT)

Die Computertomographie (CT) bietet eine nicht-destruktive Möglichkeit zur dreidimensionalen Analyse von Bauteilen. Der Zeitaufwand für eine CT-Analyse setzt sich aus der Platzierung der Probe, der eigentlichen Tomographie, der 3D-Rekonstruktion und der Dichtebestimmung zusammen. Die Platzierung der Probe dauert etwa 5 Minuten. Der anschließende CT-Scan kann, abhängig von der gewünschten Auflösung und der Größe des Bauteils, etwa 90 Minuten in Anspruch nehmen.

Nach dem CT-Scan folgt die 3D-Rekonstruktion der Daten, die etwa 30 Minuten dauert. Schließlich werden die Dichtebestimmung und Analyse der rekonstruierten Daten durchgeführt, was weitere 25 Minuten beansprucht. Insgesamt beträgt der Zeitaufwand für eine vollständige CT-Analyse etwa 150 Minuten pro Probe.

Obwohl die CT-Methode zeitaufwändiger als einige andere Methoden ist, bietet sie den großen Vorteil, dass sie eine umfassende dreidimensionale Analyse ermöglicht. Sie kann Defekte im Inneren des Bauteils zerstörungsfrei detektieren und liefert detaillierte Informationen über die Verteilung und Größe von Poren im gesamten Volumen. Diese umfassenden Analysen sind besonders wertvoll in der Qualitätssicherung und bei der Untersuchung komplexer Bauteile. Der hohe Zeitaufwand und die Notwendigkeit spezialisierter Ausrüstung und Kenntnisse machen die CT jedoch weniger geeignet für die schnelle Analyse großer Serien in der Serienproduktion.

Manuelle Archimedes-Methode

Die manuelle Archimedes-Methode ist eine der einfachsten und schnellsten Methoden zur Dichtebestimmung. Der gesamte Prozess umfasst die Messung des Gewichts der Probe in Luft und im Fluid sowie die Berechnung der Dichte. Die Messung in Luft dauert etwa 1 Minute, während die Messung im Fluid aufgrund der Notwendigkeit, Turbulenzen zu vermeiden und eine stabile Messung zu gewährleisten, etwa 3 Minuten in Anspruch nimmt. Die anschließende Dichtebestimmung und Datenaufzeichnung benötigen weitere 2 Minuten. Insgesamt beläuft sich der Zeitaufwand für die manuelle Archimedes-Methode auf etwa 7 Minuten pro Probe.

Dieser geringe Zeitaufwand macht die manuelle Archimedes-Methode besonders attraktiv für schnelle und einfache Dichtebestimmungen. Sie ist besonders geeignet für Anwendungen, bei denen eine hohe Messgenauigkeit nicht zwingend erforderlich ist oder eine grobe Schätzung der Dichte ausreicht. Jedoch hat diese Methode auch erhebliche Nachteile. Die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse können stark von der Sorgfalt und Erfahrung des Anwenders abhängen. Manuelle Fehler, unvollständige Benetzung der Probe oder Lufteinschlüsse können zu signifikanten Abweichungen führen.

Aufgrund des geringen Zeitaufwands und der einfachen Durchführung eignet sich die manuelle Archimedes-Methode gut für Voruntersuchungen und schnelle Kontrollen. Für Anwendungen, bei denen hohe Präzision und Detailtiefe erforderlich sind, ist sie jedoch weniger geeignet.

Automatisierte Dichtebestimmung

Die automatisierte Dichtebestimmung nutzt das Archimedes-Prinzip in Kombination mit moderner Automatisierungstechnologie, um die Präzision und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu erhöhen. Der Prozess beginnt mit dem Einlegen der Proben in spezielle Bauteilträger, die anschließend durch einen Achsroboter präzise auf die Waagen gesetzt werden. Die gesamte Messung, von der Gewichtsmessung in Luft bis zur Messung im Fluid, erfolgt automatisiert.

Der Zeitaufwand für die automatisierte Dichtebestimmung beträgt etwa 2 Minuten pro Probe, da die Messung in Luft und im Fluid jeweils etwa 1 Minute dauert und die Daten automatisch erfasst und ausgewertet werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Automatisierung ist die Eliminierung manueller Fehlerquellen. Die Proben werden unter identischen Bedingungen gemessen, was die Variabilität der Ergebnisse minimiert. Zudem ermöglicht die automatisierte Dichtebestimmung die Integration in bestehende Qualitätssicherungssysteme und Produktionslinien, wodurch die Daten in Echtzeit verarbeitet und weitergegeben werden können. Dies steigert die Effizienz der Qualitätskontrolle erheblich.

Die initialen Investitionen in die Automatisierungstechnologie und die notwendige Einrichtung können hoch sein. Dennoch bieten die langfristigen Vorteile in Form von Zeitersparnis, erhöhter Präzision und Konsistenz der Ergebnisse eine hohe Eignung für die industrielle Anwendung und Serienfertigung in der additiven Fertigung.

Fazit

Der zeitliche Aufwand der verschiedenen Messverfahren zur Dichtebestimmung variiert erheblich. Die mikroskopische Analyse von Querschliffen ist zeitaufwändig und erfordert eine sorgfältige Probenvorbereitung, bietet jedoch hohe Auflösung und Detailgenauigkeit. Die Computertomographie ermöglicht eine umfassende dreidimensionale Analyse, ist jedoch kostenintensiv und erfordert spezialisierte Kenntnisse. Die manuelle Archimedes-Methode ist schnell und einfach, leidet jedoch unter manuellen Fehlerquellen. Die automatisierte Dichtebestimmung kombiniert die Vorteile der traditionellen Methode mit der Präzision und Effizienz moderner Automatisierung und bietet hohe Genauigkeit und Effizienz. Die Wahl des geeigneten Verfahrens hängt daher von den spezifischen Anforderungen und der Anzahl der zu analysierenden Proben ab.

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