IPH entwickelt automatische Qualitätsprüfung für 3D-Druck

Im Forschungsprojekt „Quali3D“ entwickelen Wissenschaftler am Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH ein optisches Messsystem für den 3D-Druck. Es soll den Druckprozess kontinuierlich überwachen und Fehler automatisch erkennen.

Ein wichtiger Faktor bei der additiven Fertigung ist die Qualitätskontrolle. Vor allem bei hochwertigen Produkten, etwa in der Medizintechnik oder im Maschinenbau, muss die Qualität stimmen. Und die lässt sich bei additiven Fertigungsverfahren bisher oft nur schwer überprüfen. Viele Unternehmen schrecken deshalb noch vor dem Einsatz von 3D-Druckern zurück.

Kritisch für die Bauteilqualität ist neben der Außengeometrie auch die innere Struktur. Häufig sorgen Wabenstrukturen dafür, dass das 3D-gedruckte Bauteil möglichst leicht und trotzdem stabil ist. Um Fehler wie etwa Unregelmäßigkeiten oder Hohlstellen in der inneren Struktur zu erkennen, muss man das Bauteil derzeit röntgen.

„Bisher gibt es keine funktionierende prozessintegrierte Überwachung für 3D-Druck-Prozesse, welche auf dem Prinzip der Materialextrusion basieren“, sagt Alexander Oleff vom Institut für Integrierte Produktion Hannover (IPH) gGmbH. Der Maschinenbauingenieur leitet das Forschungsprojekt „Quali3D – Optische Qualitätsprüfung für den Extrusions-3D-Druck“.

IPH entwickelt optisches Messsystem für die additive Fertigung

Geht es nach den Wissenschaftlern Institut für Integrierte Produktion Hannover sollen in Zukunft die Bauteilqualität schon während des Drucks überprüft werden. Oleff und seine Kollegen am IPH entwickeln ein optisches Messsystem für Extrusions-3D-Drucker. Bei der additiven Materialextrusion wird geschmolzenes Material Schicht für Schicht aufgetragen. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Hochleistungskunststoffe verarbeiten, die beispielsweise in der Medizintechnik, der Elektrotechnik oder im Flugzeugbau zum Einsatz kommen.

Herzstück des optischen Messsystems ist eine Kamera, die Bilder jeder einzelnen gedruckten Schicht aufnimmt. Ein Bildverarbeitungs-Algorithmus wertet diese Fotos automatisch aus und erkennt Fehler. Fehler können beispielsweise entstehen, wenn durch zu schnelle Bewegungen Vibrationen auftreten oder die Materialzufuhr des 3D-Druckers gestört ist.

Die größte Herausforderung für die Forscher ist, dass die Qualitätsprüfung referenzlos erfolgen muss, also ohne Vergleichsbild. „3D-gedruckte Bauteile sind häufig Unikate“, erklärt Oleff. „Daher existiert meist keine Referenz – zum Beispiel Schichtbilder eines identischen Bauteils, das bereits ohne Fehler gedruckt wurde – mit welcher der Algorithmus das Druckergebnis vergleichen könnte.“ Stattdessen ist es möglich, für die Fehlersuche Texturanalysen einzusetzen. Dabei wertet der Algorithmus die Bilder mathematisch aus und findet Unregelmäßigkeiten. Alternativ wäre es denkbar, den Maschinencode auszulesen. Daraus lässt sich unter anderem ableiten, an welcher Stelle wie viel Material aufgetragen werden soll. Anschließend vergleicht man das geplante Druckergebnis mit dem tatsächlichen Bauteil.

Interessierte Unternehmen können an dem Projekt teilnehmen

Um das optische Messsystem und den dahinterliegenden Algorithmus zu entwickeln, haben die Wissenschaftler zwei Jahre Zeit. Das Projekt „Quali3D“ läuft bis Sommer 2021. Von den Ergebnissen sollen sowohl Anwender als auch Hersteller von 3D-Druckern profitieren.

Die Hersteller können mit den Ergebnissen ihre Maschinen weiterentwickeln und das Qualitätsniveau der Materialextrusion erhöhen. Die Forscher gehen davon aus, dass damit auch die Akzeptanz des 3D-Drucks steigt, insbesondere in Branchen wie der Medizintechnik oder für bestimmte sicherheitskritische Anwendungen. Anwender können in Zukunft die Fertigung jedes einzelnen Produkts überwachen und ihren Kunden geprüfte Qualität zusagen – auch für Unikate. Zudem können sie die Fertigungskosten senken, denn wenn Fehler bereits während des Drucks erkannt werden, kann der Druckprozess rechtzeitig nachgeregelt oder abgebrochen werden. Das spart Zeit, Energie und Material.

Unternehmen, die sich für eine prozessintegrierte Überwachung des Extrusions-3D-Drucks interessieren, können sich noch am Forschungsprojekt beteiligen. Ein Kick-Off-Treffen ist für Ende August geplant. Interessierte Unternehmen können sich direkt auf der Webseite des Projekts melden.