CT-Scans für 3D-Druck

WENZEL America und NIDEC setzen ihre Partnerschaft fort, um das Potenzial des exaCT U Computertomographen von WENZEL in der Erforschung der additiven Fertigung mit gerichteter Energieabscheidung (DED) zu untersuchen. Dieses System, integriert in das LAMDA-System von NIDEC Machine Tool America, nutzt modernste Technologie zur Verarbeitung selbst der härtesten Metalle.

Seit der Einführung der additiven Fertigung in Japan im Jahr 1987 haben sich zahlreiche neue Anwendungen entwickelt, die verschiedene Technologien nutzen, um CAD-Dateien in physische 3D-Objekte zu verwandeln. Heute sind selbst hochkomplexe Objekte und Formen in vielen Branchen anerkannt und weit verbreitet. In diesem Artikel widmen wir uns der gerichteten Energieabscheidung (DED) und den Möglichkeiten, mit dieser Technologie die Produktqualität sicherzustellen.

LP-DED (Laser Powder-Directed Energy Deposition) ist ein leistungsstarkes Verfahren der additiven Fertigung (AM), bei dem ein fokussierter Laserstrahl Metallpulver schichtweise aufschmilzt und verbindet, um ein gewünschtes 3D-Objekt zu erzeugen. Das Metallpulver wird über eine Düse in das vom Laser erzeugte Schmelzbad eingebracht, was eine präzise Materialplatzierung und die Herstellung komplexer Designmerkmale ermöglicht.

Im Vergleich zu anderen AM-Verfahren wie dem Pulverbettschmelzen bietet LP-DED eine höhere Flexibilität, da es direkt auf bestehenden Komponenten arbeiten kann. Dies macht das Verfahren ideal für Reparaturen, das Hinzufügen von Merkmalen zu vorhandenen Teilen und die Herstellung funktional abgestufter Strukturen, bei denen die Materialeigenschaften innerhalb des Objekts variieren. Zudem kann LP-DED ein breiteres Spektrum an Materialien verarbeiten, einschließlich Metallen, die mit anderen Verfahren schwer zu bearbeiten sind.

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Ein großer Vorteil

Ein entscheidender Vorteil des LAMDA LP-DED-Systems von NIDEC ist die Fähigkeit, die additive Fertigung von Metallen in großem Maßstab, ohne den Einsatz einer vollständigen Umgebungskammer durchzuführen. Dies wird durch eine lokale Abschirmung erreicht – ein Gasgehäuse, das den Beschichtungsbereich umgibt. Diese Abschirmung minimiert die Wechselwirkung des Lasers und des Metallpulvers mit der Umgebung, wodurch das Risiko von Dämpfen, Spritzern und Oxidation verringert wird. Dies vereinfacht nicht nur die Einrichtung, sondern senkt auch die Kosten und den Energieverbrauch im Vergleich zu kammerbasierten AM-Systemen.
Ein bedeutender Fortschritt ist der Einsatz von Überwachung und Echtzeit-Feedback durch NIDEC zur Steuerung des Prozesses. In Kombination mit künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen können die LAMDA-Systeme Anomalien frühzeitig erkennen und den Prozess automatisch stoppen, bevor das Bauteil beschädigt wird.

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Dank der Kombination aus Materialvielfalt, Reparaturmöglichkeiten und der Fähigkeit zur Fertigung in großem Maßstab ist LP-DED ein wertvolles Werkzeug für verschiedene Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und den Energiesektor. Mit fortschreitender Forschung und Entwicklung, die die Prozesssteuerung und das Materialverständnis weiter verbessert, wird LP-DED voraussichtlich eine noch bedeutendere Rolle in der Zukunft der additiven Fertigung spielen.

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Die industrielle Computertomographie (CT) ist eine fortschrittliche, zerstörungsfreie Prüfmethode, die detaillierte Innenansichten von Bauteilen ermöglicht und dabei selbst Materialien wie Metall und Kunststoff durchdringt. In Kombination mit geeigneter Software wird die industrielle CT zu einem leistungsstarken Werkzeug für Ingenieurwesen und Messtechnik. Die CT-Technologie existiert seit Jahrzehnten und ermöglicht schnelle Inspektionen, macht innere Strukturen sichtbar, die bei herkömmlichen Messmethoden verborgen bleiben, und verbessert so die Kosteneffizienz und Produktivität. Im Gegensatz zu anderen Prüfmaschinen bietet die CT eine tiefgehende Analyse der inneren Strukturen, der Materialbeschaffenheit und potenzieller Fehlerstellen.

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CT-Systeme sind in der Materialprüfung von unschätzbarem Wert und bieten eine einzigartige Möglichkeit, verborgene Merkmale in Metallen aufzudecken. Insbesondere bei der DED-Technologie (Directed Energy Deposition) ist es entscheidend, die Qualität des Materials zu kennen, wenn bestehende Teile um neue Merkmale ergänzt oder funktional abgestufte Strukturen geschaffen werden, bei denen die Materialeigenschaften innerhalb des Objekts variieren. CT-Systeme messen die Materialdichte präzise, was Rückschlüsse auf Festigkeit und Haltbarkeit erlaubt. Zudem können sie Poren aufspüren, die die Leistungsfähigkeit des Materials beeinträchtigen könnten, sowie Risse, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, aber zu katastrophalem Versagen des Produkts führen könnten.

Eine weitere wichtige Anwendung der CT-Systeme ist die Überprüfung der Maßhaltigkeit eines Bauteils, um sicherzustellen, dass es den vorgegebenen Maßen und Toleranzen entspricht. Diese Fähigkeit ist in Präzisionsbranchen unerlässlich. Dies kann durch einen Soll-Ist-Vergleich erreicht werden, bei dem die CAD-Zeichnung des Teils mit dem tatsächlichen CT-Scan desselben Teils verglichen wird. In Fällen, in denen keine CAD-Daten verfügbar sind, können auch Scandaten eines Referenzteils mit den Scandaten des zu prüfenden Teils verglichen werden.

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Die häufigsten Defekte, die bei DED (Directed Energy Deposition) auftreten, sind Porosität und Risse. Diese können durch Verunreinigungen entstehen, die während des additiven Fertigungsprozesses im Bauteil eingeschlossen werden. Bei der Analyse des DED-Prozesses können potenzielle Defekte wie Gratbildung, Hohlräume, Risse, Porosität, Oberflächenlinien und erhöhte Oberflächenrauheit identifiziert werden. Solche Abscheidungsdefekte stellen sowohl beim PBF- als auch beim DED-Verfahren eine erhebliche Herausforderung dar, und ihre Behebung ist eine komplexe und anspruchsvolle Aufgabe. Glücklicherweise ermöglicht die neueste CT-Software durch die Messung und Erkennung dieser Defekte wertvolle Einblicke in die notwendigen Korrekturen, um Produkte von höchster Qualität zu gewährleisten.

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Porosität und Hohlräume

Porosität und Hohlräume sind häufige Probleme bei additiv gefertigten Guss- und Formteilen. Sie entstehen oft durch Luft- oder Gaseinschlüsse, die während der Erstarrung im Metall eingeschlossen werden, oder durch die Schrumpfung des Metalls, die Hohlräume in dessen Innerem hinterlässt, was als Schrumpfporosität bekannt ist. Da Porosität aus eingeschlossener Luft besteht, kann sie bei der CT-Analyse als Bereich geringerer Dichte erkannt werden, was die Erkennung vereinfacht.

Für die präzise Bestimmung der Porosität durch Dichteschwankungen ist geeignete Software entscheidend. WM | PointMaster von WENZEL ist ein CT-Analysetool, das Porositäten mit einem einfachen Klick identifiziert. Es ermöglicht dem Qualitätssicherungsingenieur, Größe, Form und mögliche Cluster der Porositäten leicht zu messen und zu visualisieren. Der Bediener kann einen Bereich für die Porositätsgrößen festlegen und diese zur einfachen Identifizierung farblich kennzeichnen, um die Erkennung von zu kleinen Porositäten zu verhindern. CT ist besonders effektiv bei der Aufdeckung von eingeschlossenen Porositäten in gedruckten Teilen. Zu den Arten der Porosität gehören die durchgehende Porosität, die sich über das gesamte Teil erstreckt, und die Blindporosität, die typischerweise an einer Oberfläche des Teils auftritt. Die Erkennung von Porosität sollte sich auf bearbeitete Bereiche und andere kritische, stark beanspruchte Abschnitte konzentrieren.

Das CT-System hat gewisse Einschränkungen in Bezug auf Auflösung und Durchdringungsleistung. Die Auswahl der Röntgenröhre, des Detektors sowie die Positionierung des Objekts im Scanbereich beeinflussen maßgeblich die maximale Vergrößerung und Auflösung. Einige CT-Systeme bieten Scanfeld-Erweiterungen, die es ermöglichen, mehrere Felder zusammenzuführen, um einen größeren Scanbereich zu erfassen. Die Auflösung wird zudem durch die Präzision des Drehtisches bestimmt, der die Schichtdicke des Scans festlegt.

Die Voxelgröße (v) einer tomographischen Rekonstruktion kann nach der Formel v = p M (1) berechnet werden, wobei p der Detektorpixelabstand und M das Verhältnis von SOD (Source-to-Object Distance) und SDD (Source-to-Detector Distance) ist. Der tatsächliche Wert von v wird jedoch auch durch Faktoren wie die Drift der Röntgenquelle, thermische Ausdehnung der CT-Komponenten, die Neigung des Detektors und des Objektträgers sowie andere Einflüsse bestimmt.

Bei optimaler Einstellung sollten wir in der Lage sein, Hohlräume, Verstopfungen und Risse im Bereich von 21µ bis 26µ mit hoher Sicherheit zu erkennen und zu messen. Mit einem präzisen Winkel können wir diese sogar noch besser detektieren. Bei der Messung von Kanten sollte der Dichteübergang nicht mehr als drei Pixel betragen, und die Schärfe einer Kante sollte idealerweise bei etwa 3 bis 4 Pixeln liegen.

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Risse und innere Brüche

Die Suche nach den Ursachen für Rissbildung und der genauen Phase im Herstellungsprozess kann äußerst komplex sein. Das Auffinden des Risses und die Beobachtung seiner Ausbreitung durch das Objekt können entscheidende Hinweise zur Lösung des Problems liefern.

In vielen Fällen ist hochauflösende CT-Technologie wie das exaCT-System erforderlich, um Risse in gedruckten Teilen präzise zu erkennen. Risse sind oft unregelmäßig und können in verschiedenen Richtungen durch ein Bauteil verlaufen. Besonders wichtig ist es, Risse zu identifizieren, die durch ungleichmäßige Abkühlung während des Herstellungsprozesses entstehen. Diese Risse können, ähnlich wie Porositäten, mit der WM | PointMaster Software visualisiert und eingefärbt werden, um Materialeigenschaften und den Herstellungsprozess zu analysieren. Die CT-Technologie ist besonders nützlich, um die Rissmigration in Teilen zu untersuchen, die Zugtests unterzogen wurden.

Ein bemerkenswertes Beispiel für die Anwendung der CT bei der Untersuchung der Rissmigration ist die Analyse ballistischer Tests an Schutzwesten. Hierbei kann gezeigt werden, wie sich Polyurethan-Schichten nach einem ballistischen Test trennen, während die Gesamtintegrität des Materials erhalten bleibt und es in der Lage ist, Projektilen wie Kugeln oder Schrapnellsplittern zu widerstehen.

Die WM | PointMaster Software kann Sub-Voxel-Messungen von CT-Scans bereitstellen, um Form, Festigkeit und die Auswirkungen von Rissen auf das Material zu bewerten.

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Interne Geometrie-Abweichungen

Das CT-Scannen liefert detaillierte Daten über die Innen- und Außenseiten der komplexesten Teile. Bei Kunststoffteilen kommt es nach dem Entformen häufig zu Verformungen durch Schrumpfung und Verzugserscheinungen. Um diesen Effekten entgegenzuwirken, wird in der Regel eine kompensierte Formgebung während des Spritzgießprozesses vorgenommen. Das Kunststoffteil wird zunächst in eine „falsche“ Form gebracht, um sich nach dem Abkühlen durch Schrumpfung und Verzug in die gewünschte Endform zu begeben und der Sollform möglichst nahe zu kommen.

Traditionell wird die Werkzeuggeometrie durch iteratives Nachbearbeiten (Fräsen, Schleifen oder Erodieren) angepasst. Dieser Prozess ist jedoch aufwendig und kann dazu führen, dass die Form nicht mehr weiterverwendet werden kann.

Mit der virtuellen Verformung können die Verformungsvorgaben aus Simulationssystemen oder Messergebnissen von tatsächlich gescannten Bauteilen abgeleitet werden. Dies ermöglicht es WM | PointMaster, das Verformungsergebnis automatisch zu berechnen, wobei Faktoren wie lokale Volumina, Schrumpfung und die Erfahrung des Werkzeugbauers berücksichtigt werden. Die automatisch berechnete, verformungskompensierte Geometrie wird anschließend mithilfe der leistungsstarken Flächenrückführungsfunktionen von WM | PointMaster und WM | Quartis in CAD-Flächenmodelle umgewandelt, in die die vorhandenen Werkzeugdaten integriert werden.

Für kritische, additiv gefertigte Komponenten bietet die WENZEL exaCT-Serie präzise Messungen der Innen- und Außengeometrie sowie zuverlässige Fehlererkennung. Sehen Sie sich dieses kurze Video an, um einen grafischen Überblick über dieses wertvolle Werkzeug zu erhalten.

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