AM-Praxis Materialextrusion – Welche Maßnahmen die Reproduzierbarkeit erhöhen

Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Joachim Kleylein-Feuerstein &. Tim Grotz* / Stefan Guggenberger

Obwohl die Materialextrusion das meistgenutzte AM-Verfahren ist, gibt es in der Praxis nur wenige etablierte Standards zur Reproduzierbarkeit. Diese Maßnahmen zeigen, wie Sie Prozesse, die Qualitätssicherung und die Materialbehandlung verbessern.

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Von der Vorbereitung der Daten bis zur spezifischen Nachbearbeitung gibt es etliche Teilprozesse der Materialextrusion, welche die Qualität und Reproduzierbarkeit der Bauteile direkt beeinflussen.
Von der Vorbereitung der Daten bis zur spezifischen Nachbearbeitung gibt es etliche Teilprozesse der Materialextrusion, welche die Qualität und Reproduzierbarkeit der Bauteile direkt beeinflussen.
(Bild: Universität Bayreuth)

Die additive Prozesskette besteht in der Materialextrusion (auch Fused Filament Fabrication (FFF) oder Fused Layer Modeling (FLM) genannt) genauso wie bei allen anderen additiven Fertigungsverfahren aus den drei Prozessen Pre-, In- und Post-Prozess. In jedem dieser drei Prozesse existieren relevante, auf die Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit einflussnehmende Teilprozesse. Hier können konkrete Maßnahmen ergriffen werden, um die Bauteilqualität gezielt zu verbessern und die Reproduzierbarkeit zu erhöhen. Ziel dieses Beitrags ist, Ihnen ausgewählte Maßnahmen zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit und deren organisatorische Umsetzung vorzustellen.

‚Anwenderleitfaden – Qualitätssicherung für das additive Fertigungsverfahren Materialextrusion (MEX) in der Serienfertigung‘

Ziel des Anwenderleitfadens ist, konkrete Handlungsempfehlungen zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der Qualität von Bauteilen zu geben, die mit dem additiven Fertigungsverfahren Materialextrusion (MEX) gefertigt werden. Weiterhin werden spezifische Maßnahmen und deren organisatorische Umsetzung beschrieben, um die Qualität zu verbessern und die Reproduzierbarkeit zu erhöhen. Hierzu werden konkrete Arbeitsanweisungen und Checklisten vorgegeben. Daneben wurde ein einfach anwendbares Güteklassesystem entwickelt, mit welchem unterschiedliche Fertigungsmaschinen, Filamente und Fertigungsparameter in Bezug auf die Qualität verglichen werden können. Der Anwenderleitfaden wir Ende 2021 erscheinen und Interessierte, können sich gerne schon heute ein kostenloses Exemplar sichern. Melden Sie sich dazu einfach bei den Autoren dieses Artikels.

Zu wenig Standards für die Materialextrusion

Abbildung 1: Additive Prozesskette mit qualitätsrelevanten Teilprozessen.
Abbildung 1: Additive Prozesskette mit qualitätsrelevanten Teilprozessen.
(Bild: Universität Bayreuth)

Das meistgenutzte additive Fertigungsverfahren ist die Materialextrusion (MEX), die häufig auch im privaten Umfeld eingesetzt wird [1]. Für die additive Prozesskette der MEX existieren aktuell nur wenige, teilweise noch nicht etablierte Standards bezüglich der Prozessgestaltung, Qualitätssicherung und Materialhandhabung [2]. Aus diesem Grund werden insbesondere in diesen drei Schwerpunkten konkrete Handlungsempfehlungen benötigt, die eine standardisierte qualitative und quantitative Beurteilung der Bauteilqualität für die MEX ermöglichen. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, hat das Fraunhofer IPA gemeinsam mit der Universität Bayreuth den Anwenderleitfaden ‚Qualitätssicherung für das additive Fertigungsverfahren Materialextrusion (MEX) in der Serienfertigung‘ entwickelt. Der Anwenderleitfaden richtet sich insbesondere an Anwender, Filamenthersteller, Maschinenhersteller sowie unabhängige Qualitätsmanager im Bereich der MEX.

Qualitätsrelevante Teilprozesse und Maßnahmen für eine höhere Reproduzierbarkeit

Die additive Prozesskette der MEX besteht aus dem Pre-, In- und Post-Prozess [3]. In Abbildung 1 sind die drei Prozesse und die zugehörigen auf die Bauteilqualität und Reproduzierbarkeit einflussnehmenden Teilprozesse dargestellt [4].

In den in Abbildung 1 dargestellten qualitätsrelevanten Teilprozessen können spezifische Maßnahmen umgesetzt werden, die dazu beitragen, dass die Bauteilqualität verbessert und die Reproduzierbarkeit erhöht werden. Im Folgenden wird für jeden Teilprozess eine ausgewählte Maßnahme beschrieben, deren Umsetzung dazu beiträgt, die Reproduzierbarkeit zu erhöhen:

  • Teilprozess: Vorbereitung der Daten: Im Rahmen der Generierung des Maschinencodes wird das zu fertigende CAD-Modell in eine Vielzahl von Schichten unterteilt. Hierzu wird eine Software benötigt, die als Slicer bezeichnet wird. Für eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung müssen die Bauteile immer mit der gleichen Ausrichtung und Anordnung im Bauraum sowie denselben Fertigungsparameter gefertigt werden. Aus diesem Grund müssen die generierten Daten archiviert werden, zum Beispiel in Form des Maschinencodes und eines Projekts im Slicer.
  • Vorbereitung des Filaments: In der MEX werden zur Fertigung von Bauteilen thermoplastische Kunststoffe verwendet, die in Form eines Drahtes auf eine Spule gewickelt sind und als Filamente bezeichnet werden. Diese Kunststoffe nehmen Wasserdampf aus der Umgebungsluft auf. Dieser Effekt wird bei einer falschen Lagerung verstärkt. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit muss das verwendete Filament immer mit dem gleichen Feuchtegehalt verarbeitet werden. Um dies zu gewährleisten, muss das Filament entweder ständig konditioniert gelagert oder vor der Verarbeitung in einem Trockenschrank getrocknet werden.
  • Vorbereitung der Fertigungsmaschine: Bei der MEX ist die erste Schicht, welche die Verbindung zwischen Bauteil und Bauplatte herstellt, von großer Bedeutung. Nur wenn der Abstand zwischen Bauplatte und Extruderdüse korrekt eingestellt ist, haftet das Bauteil vollständig an der Bauplatte. Für eine hohe Reproduzierbarkeit muss die Kalibrierung des Abstands sensorgestützt erfolgen und über die gesamte Bauplatte konstant sein.
  • Betrieb der Fertigungsmaschine: Zusätzlich zu den Fertigungsparametern, welche im Slicer definiert werden und im Maschinencode enthalten sind, können auch an der Maschine Parameter eingestellt werden. Hierzu zählt zum Beispiel der bereits genannte Abstand zwischen Extruderdüse und Bauplatte bei der ersten Schicht. Diese Parameter müssen für eine hohe Reproduzierbarkeit bei jedem Fertigungsauftrag identisch sein und ebenfalls protokolliert sowie archiviert werden.
  • Überwachung des Fertigungsdurchlaufs: Wie beschreiben, hat die erste Schicht eine große Bedeutung und kann die Qualität des gesamten Bauteils massiv beeinflussen. Dementsprechend ist entscheidend, dass das Ablegen der ersten Schicht überwacht wird. Diese Überwachung erfolgt entweder direkt optisch durch den Maschinenbediener oder digital unterstützt über eine in die Fertigungsmaschine integrierte Kamera.
  • Fertigungsmaschinenspezifische Nachbearbeitung: Nachdem der Fertigungsauftrag abgeschlossen wurde, muss das Filament unter Zugabe eines Trocknungsmittels wieder verpackt werden, um die Aufnahme von Wasserdampf aus der Umgebungsluft zu verhindern. Im Idealfall wird das Filament wie in Abbildung 2 dargestellt vakuumiert in einer Folie verschweißt. Wird das Filament konditioniert in der Fertigungsmaschine oder außerhalb beispielsweise in einer sogenannten Drybox, gelagert, dann ist ein Wiederverpacken nicht notwendig.
  • Bauteilspezifische Nachbearbeitung: Für Überhänge, Hohlräume und Hinterschnitte werden bei der MEX Stützstrukturen benötigt. In Abhängigkeit vom verwendeten Filament für die Stützstrukturen sind diese in einem Medium, wie Wasser oder organischem Lösemittel, lösbar. Für eine beschleunigte Auslösung kann hierzu ein temperiertes Ultraschallbad verwendet werden. Auch hier ist für eine hohe Reproduzierbarkeit entscheidend, dass die verwendeten Parameter des Ultraschallbads, unter anderem Temperatur oder Frequenz, dokumentiert und bei den nächsten Fertigungsaufträgen exakt gleich eingestellt werden.

Abbildung 2: Ordnungsgemäßes Wiederverpacken eines bereits genutzten Filaments.
Abbildung 2: Ordnungsgemäßes Wiederverpacken eines bereits genutzten Filaments.
(Bild: Universität Bayreuth)

Umsetzung braucht qualifizierte Mitarbeiter und Dokumentation

Für die organisatorische Umsetzung der beschriebenen Maßnahmen ist eine entsprechende Mitarbeiterqualifizierung und Dokumentation erforderlich. Die Mitarbeiterqualifizierung erfolgt hierbei über konkrete Arbeitsanweisungen, welche die gesamte Prozesskette abdecken. Zur Dokumentation wird die Erstellung von Checklisten empfohlen, die die Mitarbeiter dazu nutzen können, um die Umsetzung der qualitätsrelevanten Maßnahmen zu protokollieren. Im Anwenderleitfaden ‚Qualitätssicherung für das additive Fertigungsverfahren Materialextrusion (MEX) in der Serienfertigung‘ sind konkret ausformulierte Arbeitsanweisungen und Checklisten enthalten, die direkt übernommen oder spezifisch an Ihren Anwendungsfall angepasst werden können.

Literatur:

[1] The State of 3D Printing: The data you need to understand the 3D printing world and build your 3D printing strategy. Hrsg. von Sculpteo, 2021.

[2] Elke Witt, Christian Anton. Stellungnahme: Additive Fertigung – Entwicklungen, Möglichkeiten und Herausforderungen. Halle (Saale): Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, acatech - Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2020.

[3] VDI-Richtlinie 3405. Additive Fertigungsverfahren: Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibung. Berlin: Beuth Verlag, 2014.

[4] DIN SPEC 17071. Additive Fertigung – Anforderungen an qualitätsgesicherte Prozesse für additive Fertigungszentren. Berlin: Beuth Verlag, 2019.

* Joachim Kleylein-Feuerstein ist Projektleiter bei der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation in Bayreuth. Tim Grotz arbeitet als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Additive Fertigung des Lehrstuhls Umweltgerechte Produktionstechnik an der Universität Bayreuth.

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