Licht am Ende des Dschungels

Neue Verfahren benötigen Normen und Standards. Auch in der additiven Fertigung besteht mit steigender Verbreitung in der Industrie Handlungsdruck. Aktuell ist die Normierung noch in einem frühen Stadium, doch erste Standards sind bereits formuliert.

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Additive Fertigung oder Additive Manufacturing (AM) ist die industrielle Variante des 3D-Drucks, der Anfang der 1980er-Jahre zur Unterstützung für die Herstellung von Modellen und Prototypen entwickelt wurde. Nach den Anfängen mit der Stereolithografie hat sich eine Vielzahl an unterschiedlichen Techniken herausgebildet. 3D-Drucker können heutzutage verschiedene Kunststoffe und feste oder flüssige Kunstharze, Keramik und Metalle verarbeiten. Für die Industrie besonders interessant ist die Verarbeitung von Metallpulver mit den Verfahren Laserstrahlschmelzen (LBM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und selektives Lasersintern (SLS).

Der Stand der Dinge

Der 3D-Druck wird zunehmend für die Fertigung von Einzelstücken oder Kleinserien genutzt, sodass die Industrie inzwischen meist den Begriff „Additive Manufacturing“ nutzt. Da die junge Technologie noch relativ teuer ist, eignet sie sich im Moment weniger für die Massenfertigung als für die Herstellung von Bauteilen, die ohnehin nur in kleinerer Stückzahl benötigt werden.

Deshalb wird AM besonders häufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. So fertigen beispielsweise Triebwerkshersteller Turbinenschaufeln mit AM-Verfahren, SpaceX produziert alle Teile eines seiner Triebwerke auf diese Weise und der neue Airbus A350 enthält rund 150 additiv gefertigte Serienteile. Auch andere Branchen setzen auf AM, beispielsweise Autohersteller. BMW nutzt bei einigen Fahrzeugen AM-Leichtbauteile mit einer neuartigen Innengeometrie, die mit herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar wären.

Ein neues Anwendungsgebiet ist die ortsnahe Herstellung von Ersatzteilen, auch hier wieder zuerst in der Luftfahrt. Üblicherweise bevorraten Triebwerks- und Flugzeughersteller häufig genutzte Ersatzteile an allen wichtigen Flughäfen, sodass die Maschinen überall gewartet und repariert werden können. Die rasche Nachfertigung von Ersatzteilen senkt die Transport- und Lagerkosten und ist damit auch für andere Branchen interessant.

Einige Hersteller sind also bereits mit AM recht erfolgreich, doch es bleiben eine Reihe von offenen Fragen. So besitzen viele Werkstoffe anisotrope Eigenschaften. Das heißt: Das Material verhält sich in Aufbaurichtung (Z-Achse) anders als in den beiden anderen Richtungen. Es ist also möglich, dass die neu gefertigten Objekte durch Verzug oder Schrumpfen plötzlich andere Abmessungen erhalten und nicht mehr mit den Maßangaben in den digitalen Daten übereinstimmen. Voraussetzung für eine korrekte Herstellung ist hier die genaue Kenntnis der Eigenschaften des jeweiligen Materials und die Berücksichtigung von technisch bedingten Größenänderungen nach der Herstellung – etwa bei Keramiken von Zahnprothesen.

Eine weitere Schwierigkeit ist die Einheitlichkeit des Rohmaterials. So gibt es neben den OEMs auch andere Anbieter von Metallpulvern, die für verschiedene Verfahren der AM-Metallverarbeitung geeignet sind. Die Praxis zeigt aber, dass dies nicht immer garantiert ist. Es kann bei gleichen digitalen Daten durchaus zu messbaren Unterschieden kommen, etwa wenn sich die Granularität der Metallpulver minimal und für das menschliche Auge nicht zu entdecken unterscheidet. Hier sind eine einheitliche Norm und die entsprechende Zertifizierung notwendig.

Digitalisierung und Prozessketten

Additive Manufacturing zählt zu den Industrie-4.0-Techniken, da der eigentliche Herstellungsprozess digital gesteuert ist. Die Konstruktion liegt in Form von digitalen Daten vor und wird direkt in den 3D-Drucker eingespeist. Allerdings sind viele Geräte Insellösungen: Einige Hersteller berücksichtigen noch nicht die Einbindung in automatisierte Prozessketten, die Integration von Schnittstellen für ERP und MES oder die Anbindung an Feldbusse und das Industrial Ethernet.

Dies bremst in vielen Szenarien die sinnvolle Nutzung des 3D-Drucks. Zwar läuft der eigentliche Druck eigenständig ab und kann somit auch über Nacht ausgeführt werden, doch das ist nur ein Prozess von vielen. Materialzufuhr, Transport des fertigen Bauteils, Säubern des Bauraums oder der Bauplatte, Entfernen überschüssigen Metallpulvers und seine Wiederaufbereitung – all dies muss zurzeit noch manuell erledigt werden und führt oft zu Stillstandszeiten.

Dies zeigt, dass sowohl Hersteller als auch Anwender sich noch in einer Phase der Erprobung befinden. Mittelfristig sind hier wie in der klassischen Fertigung Normen und Standards gefragt, denn zurzeit gibt es noch keine umfassenden Antworten auf Fragen nach Qualitätssicherung und der Rückverfolgung von Materialien oder Werkstücken. In den meisten Branchen, vor allem im Automobilbau, sind zudem vollständig automatisierte Prozesse wichtig, die bei der Konstruktion beginnen und bei der Nachbearbeitung und dem Recycling enden.

Eine wichtige Voraussetzung hierfür sind verbindliche Normen, standardisierte Schnittstellen und eine einheitliche Software, die den Datenfluss über alle Prozesse hinweg gewährleistet. Auch die Datenformate müssen standardisiert werden: So sind beispielsweise die von 3D-Druckern eingesetzten Dateien inkompatibel zu Formaten in der Industrie gängiger CAD-Anwendungen, sodass die Dateien fehleranfällig konvertiert werden müssen.

Darüber hinaus gibt es auch Herausforderungen für die Arbeitssicherheit. Ohne Schutzkleidung sind vor allem Metallpulver, die eine Partikelgröße von 100 µm oder weniger besitzen, gefährlich. Hautirritationen oder Gesundheitsprobleme beim Einatmen sind nicht auszuschließen. Außerdem besteht ohne entsprechende Schutzvorrichtungen Explosionsgefahr, denn die Metallpulver können durch Überhitzung oder elektrostatische Aufladung in Brand geraten. Zudem setzen einige Produktionsprozesse Gase wie Argon oder Stickstoff ein, bei denen für das Bedienpersonal Erstickungsgefahr besteht.

Normen und Standards sind gefragt

Additive Fertigung unterscheidet sich in Ablauf und Endergebnis recht deutlich von konventioneller Produktion. Für eine Qualitätssicherung der Herstellung reicht eine abschließende Prüfung des Endprodukts wie bei anderen Verfahren nicht aus. Die Herausforderung bei der Normierung besteht darin, Standards an drei Stellen der additiven Fertigung zu schaffen: für das Rohmaterial, den Fertigungsprozess und den Test der produzierten Teile.

Solche Normen gibt es bereits oder sie sind kurz vor der Veröffentlichung. Glücklicherweise beginnt die Normierung hier nicht bei Null, in Teilen lassen sich bereits bestehende Normen als Vorlage nutzen. So konnten Standards für die Materialprüfung recht schnell auf die Anforderungen der additiven Fertigung übertragen werden und sind deshalb bereits seit einigen Jahren verfügbar. Allerdings: Es gibt eine Vielzahl an unterschiedlichen Gremien, die in Sachen AM-Normierung aktiv sind und das Thema unübersichtlich machen.

Deshalb zunächst ein Blick auf die bekanntesten Akteure: Die Normierungsorganisation ISO (International Standards Organization) und die US-Organisation ASTM (American Society for Testing and Materials) arbeiten gemeinsam an einem umfassenden Normenkatalog, der allgemeine Standards, Kategorienstandards und spezielle Standards umfassen soll.

Auf der obersten Ebene geht es um Terminologie, Prozesse, Materialien, Testmethoden, Design und Datenformate. Hier ist der Normierungsprozess bereits am Weitesten fortgeschritten und einige Standards sind in der Endfassung veröffentlicht. In anderen Bereichen ist hingegen noch viel Arbeit zu leisten. Die Kategorienstandards sind die Qualitätsnormen für das Rohmaterial, die unterschiedlichen Fertigungsverfahren sowie Testverfahren für die Endprodukte. Die speziellen Standards sind anwendungsspezifisch, etwa für die Luftfahrt, die Medizintechnik oder die Autoindustrie.

UL beteiligt sich an diesem Normierungsprozess mit Prüfung und Zertifizierung von Kunststoffen für den 3D-Druck („Blue Card“) sowie einer Zertifizierung des Sicherheitsmanagements in Gebäuden für die additive Fertigung. Zudem hat UL kürzlich ein Programm für die Verifizierung und Zertifizierung von Metallpulvern für AM-Technologien aufgelegt. Die entsprechenden Zertifizierungen basieren auf den bisher veröffentlichten AM-Standards sowie auf anderen geeigneten Normen.

Normierungsvorhaben in Deutschland

Auch einige deutsche Akteure beteiligen sich an der Definition von Standards für den 3D-Druck. Die Normierungsaktivitäten des DIN und des VDI sind in verschiedenen Bereichen in die internationalen ISO-Normen eingeflossen. So ist das Sekretariat des technischen Komitees „TC 261 Additive Manufacturing“ der ISO in Deutschland beheimatet, die Arbeitsgruppe für Methoden, Prozesse und Materialien wird ebenfalls von Deutschland aus geführt. Die deutsche Industrie hat sich damit strategisch sehr gut positioniert und gestaltet den Normierungsprozess aktiv mit.

Darüber hinaus liefert das DIN die deutschsprachigen Versionen der internationalen ISO/ASTM-Normen. Zudem gibt es bereits seit einiger Zeit eigene DIN-Normen aus dem Bereich Luft- und Raumfahrt, die sich vor allem der additiven Fertigung metallischer Werkstoffe im Pulverbettverfahren widmen und an entsprechender Stelle in den internationalen Normierungsprozess einfließen. Der VDI hat bereits 2013 begonnen, eigene Richtlinien für die additive Fertigung zu entwickeln. Sie decken einen Teil der verbreiteten Verfahren ab, 2018 erschien beispielsweise eine Richtlinie (VDI 3405 2.3), die sich der Qualitätssicherung von Pulverwerkstoffen für LBM und EBM widmet. Auch diese Normierungsaktivitäten werden letztlich über das TC 261 in die internationalen Standards einfließen.

Der VDMA ist ebenfalls im Bereich der Standardisierung aktiv und richtet sich mit seiner Arbeitsgemeinschaft „Additive Manufacturing“ besonders stark auf das Industrie-4.0-Thema Automatisierung. Die bisher von der AG erstellte Roadmap berücksichtigt sämtliche Datenprozesse und alle physikalischen Prozesse entlang der AM-Prozesskette. Hier steht allerdings der additive Metallbau im Vordergrund. Die Roadmap, soll aber perspektivisch auf weitere additive Fertigungsverfahren übertragen werden.

Die Aufgabe der unterschiedlichen Normierungsgremien ist nicht einfach, da sich Additive Manufacturing dynamisch weiterentwickelt. Industrielle Anwender brauchen klare Kriterien und überprüfbare Qualitätsmerkmale, um additive Technologien in die Abläufe der Fertigung integrieren zu können. Sie müssen sich in erster Linie darauf verlassen können, dass im Rahmen des Fertigungsprozesses bei einer einheitlichen Datengrundlage auch gleichartige Bauteile produziert werden und die Abweichungen im Rahmen der bei herkömmlicher Fertigung üblichen Toleranzen liegen.

Zu den anstehenden Aufgaben der Normierungsgremien gehören auch Standards im Bereich der Datenformate sowie Verfahren für prozessbegleitende Prüfungen. Die additive Fertigung benötigt darüber hinaus optimierte Prozesse sowie technische und organisatorische Schnittstellen. Erst wenn der Gesamtprozess der additiven Fertigung auf Standards basiert, von der Konstruktion und Datenaufbereitung über die automatisierte Bereitstellung von Material über den eigentlichen Fertigungsprozess bis hin zur Nachbearbeitung, wird sich die additive Fertigung in allen Branchen etablieren. Bis dahin ist noch ein gutes Stück Weg zu bewältigen.

Dieser Artikel wurde ursprünglich bei unserem Partnermagazin next Industry veröffentlicht.

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