3D-Metalldruck Drucktragende Bauteile sicher additiv fertigen

Für additiv gefertigte und zugleich sicherheitsrelevante Komponenten gelten hohe regulatorische Anforderungen. Das Qualitätsmanagement beginnt hier schon bei der Qualifizierung des Rohstoffs. TÜV SÜD hat Rosswag Engineering nun als ersten Metallpulver-Hersteller nach einem neuen Programm auf Basis der Druckgeräterichtlinie zertifiziert.

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Auf einem Pulverbett verschmilzt beim selektiven Laserschmelzen (SLM) ein Laser Metallpulver schichtweise an ausgewählten Stellen zu einer festen Legierung. Durch den Mikroschweißprozess entstehen Bauteile mit homogenen Materialeigenschaften. Charakteristisch sind vollständig dichte, metallische Gefüge. Sie eignen sich daher auch für hoch beanspruchte Sicherheitsbauteile wie drucktragende Komponenten. Beispiele hierfür sind etwa Druckbehälter, Rohrleitungen, Armaturen etc., wie sie u. a. in der chemischen Industrie zum Einsatz kommen. Zum Schutz von Menschen, Umwelt und Sachwerten gelten dort besonders hohe regulatorische Vorgaben, vor allem im Hinblick auf eine fest definierte, gleichbleibende Produktqualität.

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Metallpulver ist entscheidend für die Bauteilqualität

Viele Faktoren entscheiden bei der additiven Fertigung mit Metallpulver über die resultierende Bauteilqualität und -stabilität: Neben der chemischen Zusammensetzung spielt die physikalische Beschaffenheit des Metallpulvers eine Rolle. Je kugelförmiger die Partikel sind (Spherizität), desto leichter und gleichmäßiger lassen sie sich auf die Trägerplatte aufbringen. Je nach Bauteilquerschnitt sollte die richtige Partikelgröße gewählt werden, da größere Partikel beispielsweise eine höhere Toleranz für größere Energieeinträge eines Lasers aufweisen. Feinteiligere Metallpulver sind weniger fließfähig und lassen sich schwieriger verarbeiten.

Eine technische Schwierigkeit besteht darin, den Anteil zu feinteiliger Metallpulverpartikel zu reduzieren. Sie können beim Einatmen oder dem Kontakt über die Haut gesundheitsgefährdend sein. Zudem können sie die Ursache für Inhomogenitäten im späteren Bauteil sein. Durch Verdampfen zu kleiner Partikel entstehen dann ungewollt Poren im 3D-gedruckten Bauteil, was Stabilitätseinbußen zur Folge hat. Poren entstehen auch, wenn beim Transport, der Lagerung und der Verarbeitung nicht ausreichend auf eine möglichst geringe Restfeuchte geachtet wurde. Der Laser spaltet diese in Wasserstoff und Sauerstoff, der dann im Material eingeschlossen wird.

Für eine Zulassung müssen Hersteller die gleichbleibende Qualität sicherheitsrelevanter Komponenten nachweislich garantieren. Zugleich sind in der additiven Fertigung nur wenige Prozesse standardisiert. Das fängt schon mit der Evaluierung des angelieferten Metallpulvers an. Häufig fehlen die nötige Betriebserfahrung und Materialkenntnisse, sodass die bei der Auslegung vorgesehenen Parameter nicht immer erreicht werden. Außerdem kann es sein, dass die mechanisch-technologische Eigenschaften selbst typgleicher additiver Fertigungssysteme teils über den Bauraum variieren.

Druckgeräterichtlinie als Blaupause für neue Herstellerzertifizierung

Bisher existieren nur wenige Normen und Standards, die sich auf die Prozesse der Qualitätssicherung und Zertifizierung von Metallpulvern für die additive Fertigung anwenden lassen. Die allgemeine DIN SPEC 17071 hat Leitfaden-Charakter und stellt eine Grundlage für TÜV SÜD-Zertifizierungen additiver Fertigungsstätten dar. Sie bildet eine Vorstufe zur ISO/ASTM 52920-2, die sich derzeit noch in der Entwicklung befindet und voraussichtlich im kommenden Jahr erscheinen wird. Auf Basis des AD 2000-Regelwerks für Druckgeräte und der europäischen Druckgeräterichtlinie DGRL hat TÜV SÜD Industrie Service ein neues Zertifizierungsprogramm für sicherheitsrelevante Bauteile entwickelt. Metallpulver-Hersteller können damit die Qualität ihrer Prozesse und damit ihre Eignung als Lieferant nachweisen.

Mittelständler als erster Metallpulver-Hersteller zertifiziert

Mitte vergangenen Jahres hat TÜV SÜD Rosswag Engineering als ersten Metallpulver-Hersteller erfolgreich zertifiziert. Zuverlässig untersuchten die Experten alle Unternehmensbereiche und die gesamte Prozesskette – von der Qualifizierung des Metallpulvers über die Herstellung bis hin zur Prüfung, ob alle Anlagen und Prozesse kalibrier-, reproduzier- und rückverfolgbar sind. Die Experten achteten zudem darauf, dass die Verarbeitung einer kontinuierlichen Überwachung unterliegt und Risikoanalysen existieren, die sich im Bedarfsfall aktualisieren lassen.

Als zertifizierter Hersteller verkürzt Rosswag die Qualifizierungszeit von Sonder-Werkstoffen für den Metall 3D-Druck von mehreren Monaten mitunter auf wenige Wochen. Dabei wird fortlaufend nach festgeschriebenen Produktionsbedingungen und Qualitätsstandards auf die Güte innerhalb der Prozesskette geachtet.

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