PC an Maschine, Bild: Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Mit IQ4AP hat das Fraunhofer IPA ein System entwickelt, das die Qualität im 3D-Druck inline – also schon während des Drucks – automatisiert kontrolliert. Bild: Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Der 3D-Druck vereint Funktionalität, Flexibilität, Komplexität und Individualität. Hat aber einen Haken: Die Qualität. "Für die gesamte Qualitätssicherung gibt es noch keine fest etablierten Normen", erklärt IPA-Wissenschaftlerin Simina Fulga-Beising. Sicherheit und Reproduzierbarkeit lassen sich deshalb nicht garantieren. Gerade in Branchen wie zum Beispiel der Medizintechnik seien solche Vorgaben aber extrem wichtig. Hinzu kommt, dass fehlende Qualitätskontrollen während des Drucks hohe Kosten für das Unternehmen verursachen. "Der Drucker arbeitet völlig autark. Im schlimmsten Fall bemerkt man den Fehler erst, wenn das Bauteil fertig ist. Da ist die Maschine aber schon viele Stunden gelaufen und es wurde viel Material und Energie verschwendet." Den Vorgang von einem Techniker überwachen zu lassen, wäre angesichts der hohen Maschinenlaufzeit viel zu teuer.

Qualität von 3D-gedruckten Teilen inline prüfen

Inline-Qualitätskontrollsystem, Bild: Fraunhofer IPA, Rainer Bez
Das Inline-Qualitätskontrollsystem lässt sich einfach und flexibel außen am Drucker anbringen. Bild: Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Mit IQ4AP hat das Fraunhofer IPA ein System entwickelt, das die Qualität im 3D-Druck inline – also schon während des Drucks – automatisiert kontrolliert. Die Anwendung basiert auf einer Blackbox, die eine Kamera, Beleuchtung und Belüftung enthält. Schlüsseltechnologie ist das maschinelle Sehen. Ein Kamerasystem scannt die frisch aufgetragenen Pulverschichten und die gesinterten Schichten direkt im Prozess. Anschließend werden die Bilder mit mehreren Algorithmen geprüft.

"Grobe und feine Defekte werden sofort erkannt. Sogar die Merkmale der gesinterten Schicht, wie zum Beispiel Längen oder Lochdurchmesser, können inline gemessen werden. Man erhält damit ein Bauteilqualitätsprotokoll auf Schichtebene", sagt die Wissenschaftlerin. Der Maschinenbetreuer wird automatisch benachrichtigt, etwa per SMS oder E-Mail, und kann entscheiden, was zu tun ist. Auch Toleranzen, zum Beispiel der maximale Abstand von Löchern, lassen sich festlegen. Der Prozess ist jetzt validierbar. "Mit industrieller Computertomographie konnten wir die Ergebnisse des Inline-Qualitätskontrollsystems bestätigen."

Autonom prüfen mithilfe von KI

Die Arbeit am Inline-Qualitätskontrollsystem ist für die Forscherin noch nicht abgeschlossen. "Im nächsten Schritt soll das System durch maschinelles Lernen selbst beurteilen, was der Fehler für den Druckprozess bedeutet«, erklärt Fulga-Beising. Dazu gehört, nicht nur zu entscheiden, ob er gestoppt werden soll, sondern auch Rückschlüsse zu ziehen und das Verfahren zu optimieren. "Auf dem Weg zur selbststeuernden Produktion ist das ein wichtiger Schritt."

Den Prototyp für das Inline-Qualitätskontrollsystem mit anpassbarer prozessintegrierter Sensormesstechnik am Beispiel des Selektiven Laser Sinterns (SLS), haben die IPA-Wissenschaftler im Jahr 2016 im Rahmen des Applikationszentrums Industrie 4.0 realisiert. Die Hardware kostet Anwender gerade einmal 2500 Euro. Praktisch ist, dass es maschinenunabhängig ist und man es an jeden beliebigen 3D-Drucker andocken kann.

"So ist keine Kühlung notwendig, um die Hardwarekomponenten gegen die hohen Temperaturen im Druckbereich zu schützen. Das System hat somit ein ausgezeichnetes Preis-Leistungs-Verhältnis und ist sofort einsetzbar, ohne zeit- und kostenaufwendige Maschinenzertifizierungen", fasst Fulga-Beising zusammen. Theoretisch lässt sich das Modul auch für die Qualitätskontrolle im Metallbereich adaptieren. Ein entsprechendes Soft- und Hardwarekonzept hat Fulga-Beising in ihrer Dissertation entwickelt. Außerdem ist IQ4AP modular aufgebaut und lässt sich damit problemlos erweitern. Jetzt sucht das IPA nach Partnern, die das System testen und in gemeinsamen Projekten bedarfsgerecht integrieren wollen. hei