Jenseits der Oberfläche: Die Macht der Dichtebestimmung in der additiven Fertigung

Philipp Pruesse, Verkaufsleiter, Dimensionics Density

In der sich ständig weiterentwickelnden Welt der Fertigung hat sich die additive Fertigung (AM) zu einer bahnbrechenden Technologie mit transformativem Potenzial entwickelt. Von der Luft- und Raumfahrt bis hin zum Gesundheitswesen hat AM die Branchen revolutioniert, indem es die Herstellung komplexer, kundenspezifischer Teile mit beispielloser Präzision ermöglicht. Unter der Oberfläche dieser komplizierten 3D-gedruckten Objekte verbirgt sich jedoch ein kritischer Aspekt, der oft unbemerkt bleibt: die Dichte. Die Dichte von AM-Teilen spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung ihrer Materialeigenschaften, ihrer strukturellen Integrität und ihrer Gesamtleistung. In diesem Artikel befassen wir uns eingehend mit der Bedeutung der Dichtebestimmung bei AM und untersuchen, wie sie die Qualität von 3D-gedruckten Metallteilen bewertet und welche Auswirkungen sie auf verschiedene Branchen hat.

Die Grundlagen verstehen: Was ist Dichtebestimmung?

Die Dichtebestimmung bei AM bezieht sich auf die Messung und Bewertung der Materialdichte innerhalb eines 3D-gedruckten Objekts. Sie ist ein wichtiger Parameter für die Qualitätskontrolle, der den Herstellern hilft sicherzustellen, dass ihre gedruckten Teile die gewünschten Spezifikationen und Standards erfüllen. Im Wesentlichen geht es bei der Dichtebestimmung darum zu bewerten, wie gut die tatsächliche Materialdichte des 3D-gedruckten Teils mit der beabsichtigten oder theoretischen Dichte übereinstimmt.

Die Bestimmung der Dichte stellt eine besondere Herausforderung dar, da bei AM-Technologien Schicht für Schicht aufgetragen wird. Bei AM werden die Teile schrittweise durch das Auftragen von Material in dünnen Schichten aufgebaut. Diese Schichtung birgt das Potenzial für Hohlräume, Defekte und Unregelmäßigkeiten, die oft im gedruckten Objekt verborgen sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren, bei denen die Materialien als Ganzes geformt, bearbeitet oder gegossen werden, beruht AM auf additiven Techniken, die es schwieriger machen, die innere Struktur des Teils während der Produktion zu beurteilen.

Darüber hinaus wird durch die plötzliche und hochintensive Energiezufuhr bei Laser- und E-Beam-Verfahren ein kleiner Bereich geschmolzenen Materials erzeugt, der sich sofort verfestigt, wenn die Energiequelle weiterzieht. Dieser plötzliche Energiestoß kann Pulverpartikel unkontrolliert über das Bett verstreuen, und wenn die Energie zu hoch ist (oder das Material zu lange ausgesetzt wird), können einige Bestandteile der Legierung überhitzt werden, was zu Gasporen führt, die in einer festen Struktur unerwünscht sind. Auch beim Jetting von Metallbindern (bei dem die Pulverpartikel durch kräftiges Aufsprühen von Bindemitteltröpfchen auf die gewünschten Bereiche aggregiert werden) kann das Jetting-Verfahren den gleichen Effekt der Partikelstreuung im Pulverbett verursachen.

Folglich ist die Bestimmung der Dichte bei AM von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass jede Schicht korrekt aufgeschmolzen wurde, dass keine Verunreinigungen oder Gasporen entstanden sind und dass das Gesamtteil die gewünschten Materialeigenschaften, strukturelle Integrität und Leistung aufweist.

DIE BEDEUTUNG DER DICHTE FÜR DIE MATERIALEIGENSCHAFTEN

Die Materialeigenschaften sind das Herzstück eines jeden Fertigungsprozesses, und bei AM sind sie eng mit der Dichte verbunden. Die Dichte eines 3D-gedruckten Teils beeinflusst mehrere kritische Materialeigenschaften, darunter mechanische Festigkeit, Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit.

Die Dichte ist direkt proportional zur mechanischen Festigkeit eines Materials. Bei der Metall-AM weist ein Teil mit hoher Dichte eine höhere Zugfestigkeit auf, was für Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie, in denen die strukturelle Integrität nicht verhandelbar ist, entscheidend ist. Ingenieure und Konstrukteure sind auf die genaue Bestimmung der Dichte angewiesen, um sicherzustellen, dass die Bauteile den Belastungen und Beanspruchungen standhalten, denen sie im Betrieb ausgesetzt sind.

Die Dichte eines Materials wirkt sich auch auf seine Wärmeleitfähigkeit aus. Bauteile mit optimierten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften sind in wärmeempfindlichen Anwendungen unerlässlich. Die genaue Bestimmung der Dichte ermöglicht die Herstellung von Teilen mit hervorragender Wärmeleistung, die sich für den Einsatz in elektronischen Geräten, Wärmetauschern und anderen Anwendungen eignen.

In Branchen wie Elektronik und Telekommunikation ist die elektrische Leitfähigkeit von größter Bedeutung. Die Bestimmung der Dichte stellt sicher, dass 3D-gedruckte Metallteile die Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit genau erfüllen und ermöglicht die Herstellung von Komponenten, die in anspruchsvollen elektrischen Anwendungen zuverlässig funktionieren.

Strukturelle Integrität und Dichte

Die Dichte eines Metall-AM-Teils spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung seiner strukturellen Integrität. Die Dichte bei Metall-AM bezieht sich auf den Grad der Materialverfestigung und -verschmelzung, der während des Druckprozesses erreicht wird. Ein Metall-AM-Teil mit hoher Dichte bedeutet, dass sich die Metallpartikel oder -schichten effektiv miteinander verbunden haben, was zu einer festen und homogenen Struktur führt. Diese Struktur mit hoher Dichte ist widerstandsfähiger gegen die Entstehung und Ausbreitung von Rissen und bietet eine verbesserte strukturelle Integrität und die Fähigkeit, mechanischen Belastungen standzuhalten. Umgekehrt kann ein AM-Metallteil mit geringer Dichte Hohlräume, Porosität oder eine unvollständige Verschmelzung aufweisen, wodurch es anfällig für Defekte und eine geringere strukturelle Integrität ist, was es für anspruchsvolle Anwendungen in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und dem Gesundheitswesen weniger zuverlässig macht.

Das Verhältnis zwischen Dichte und struktureller Integrität ist besonders kritisch in Situationen, in denen Sicherheit, Langlebigkeit und Leistung an erster Stelle stehen. AM-Teile aus Metall mit hoher Dichte erfüllen mit größerer Wahrscheinlichkeit strenge Qualitäts- und Sicherheitsstandards und gewährleisten, dass sie unter verschiedenen Belastungen und Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren. Im Gegensatz dazu können Teile mit geringer Dichte unvorhersehbare Fehlermodi und eine geringere Fähigkeit aufweisen, mechanischen Belastungen standzuhalten, was ihre strukturelle Integrität beeinträchtigt. Daher ist eine sorgfältige Kontrolle der Dichte von AM-Metallteilen unerlässlich, um ihre Gesamtfestigkeit und Zuverlässigkeit in realen Anwendungen zu gewährleisten. Zusätzlich zur verbesserten Widerstandsfähigkeit gegenüber Rissen und mechanischen Belastungen weisen AM-Metallteile mit hoher Dichte in der Regel auch einheitlichere und vorhersehbarere Materialeigenschaften in ihrer gesamten Struktur auf. Diese Einheitlichkeit ist entscheidend für die Einhaltung der Konstruktionsspezifikationen und die Gewährleistung, dass die Teile über ihre gesamte Lebensdauer hinweg wie vorgesehen funktionieren.

Die Auswirkung der Dichte auf die strukturelle Integrität erstreckt sich auch auf die Ermüdungsbeständigkeit und die langfristige Leistung. Teile mit hoher Dichte sind besser in der Lage, zyklischen Belastungen und längerer Exposition gegenüber rauen Umgebungen standzuhalten, ohne dass es zu Materialverschleiß kommt. Im Gegensatz dazu kann es bei Teilen mit geringer Dichte zu vorzeitigem Verschleiß und Ermüdung kommen, was zu einer kürzeren Lebensdauer und potenziellen Sicherheitsrisiken führt.

Die Dichte eines Metall-AM-Bauteils ist ein grundlegender Faktor, der die strukturelle Integrität, die mechanischen Eigenschaften und die Gesamtleistung des Bauteils bestimmt. Das Erreichen und Aufrechterhalten einer hohen Dichte durch präzise Prozesssteuerung und Qualitätssicherungsmaßnahmen ist unerlässlich, um die strengen Anforderungen von Branchen zu erfüllen, in denen Zuverlässigkeit und Sicherheit an erster Stelle stehen.

Bahnbrechende Zerstörungsfreie Dichtebestimmung

Aus den obigen Ausführungen geht hervor, dass die Fähigkeit zur genauen, wiederholbaren, schnellen und kosteneffizienten Bestimmung der Dichte von AM-Bauteilen nicht nur für die Gewährleistung der Bauteilintegrität von entscheidender Bedeutung ist, sondern auch für die Rationalisierung des AM-Validierungsprozesses und damit für die Zementierung der Position von AM als zukunftsfähige und gültige Fertigungstechnologie von großer Bedeutung ist.

Da die Bedeutung der Dichtebestimmung bei AM immer mehr an Bedeutung gewinnt, sind innovative Lösungen entstanden, die den Anforderungen der Industrie an eine genaue und zerstörungsfreie Dichtebestimmung gerecht werden. Dimensionics Density steht an der Spitze dieses technologischen Fortschritts und bietet modernste Dichtebestimmungstechnologien an, die es den Herstellern ermöglichen, eine optimale Teilequalität und -leistung zu erzielen.

Der Bedarf an automatisierten, zerstörungsfreien Dichtebestimmungsmethoden war für Dimensionics Density offensichtlich. Die Automatisierung gewährleistet Effizienz und Skalierbarkeit und ermöglicht eine schnelle Bewertung mehrerer AM-Teile innerhalb von Produktionszyklen. Zerstörungsfreiheit ist unerlässlich, um die Integrität wertvoller Komponenten nicht zu gefährden, und sie ermöglicht eine Qualitätskontrolle in Echtzeit. Darüber hinaus werden bei der AM häufig komplexe und komplizierte Geometrien hergestellt, die zu mehreren Teilen mit unterschiedlichen Formen und Größen führen. Daher muss eine Methode zur Dichtebestimmung vielseitig genug sein, um verschiedene AM-Teile schnell zu verarbeiten und eine gleichbleibende Qualität und Zuverlässigkeit über die gesamte Produktionslinie hinweg zu gewährleisten.

Bis zur Einführung der automatisierten Dichtebestimmungstechnologie von Dimensionics Density waren die Hersteller gezwungen, alternative Lösungen wie Mikrografien, Computertomografie (CT) oder die manuelle Archimedes-Methode zu verwenden, die unterschiedliche Grade an Genauigkeit, Auflösung, Wiederholbarkeit und erfolgreicher Fehlererkennung aufweisen.

Mikroskopische Aufnahmen geben zwar einen gewissen Einblick in die Porosität von AM-Proben, haben aber den Nachteil, dass die Proben zerstört werden und ein erheblicher manueller Arbeitsaufwand erforderlich ist, was sowohl den Zeit- und Kostenaufwand als auch die Abhängigkeit von Fachwissen erhöht. CT ist zwar in der Lage, realistische 3D-Bilder der inneren Porosität zu erzeugen, erfordert jedoch kostspielige Experten, ist bei der Erkennung kleiner Poren eingeschränkt und erfordert eine unerschwingliche Ausrüstung. Andererseits ist die manuelle Archimedes-Methode zwar benutzerfreundlich und potenziell sehr genau, aber aufgrund der Anfälligkeit für sich ändernde Umgebungsbedingungen, der Präzision der Waage und der Genauigkeit des Versuchsverfahrens tendenziell weniger genau. Die Reproduzierbarkeit stellt eine Herausforderung dar, da die Ergebnisse durch menschliche Faktoren beeinflusst werden, einschließlich Variationen bei der Probenplatzierung auf der Waage und manuelle Messvorgänge, die zu Messabweichungen führen.

Die Lösung von Dimensionics Density kombiniert effektiv die archimedische Dichtebestimmungsmethode mit moderner Automatisierungstechnik. Das automatisierte Teilehandling eliminiert den menschlichen Einfluss auf die Messung, da die Teile immer identisch auf die Waage gelegt werden. Die Waagen sind so konstruiert, dass sie gegen Vibrationen isoliert sind. Darüber hinaus werden alle Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftdruck und Wassertemperatur über Klimasensoren erfasst und deren Einfluss auf das Messergebnis direkt im Auswertealgorithmus bei der Dichtebestimmung berücksichtigt.

Schlussfolgerung

Im Bereich der AM darf die Macht der Dichtebestimmung nicht unterschätzt werden. Sie ist die unsichtbare Kraft, die die Materialeigenschaften formt, die strukturelle Integrität gewährleistet und die Leistung in allen Branchen steigert. Von der Luft- und Raumfahrt bis hin zum Gesundheitswesen ist die genaue Bestimmung der Dichte entscheidend für die Herstellung von Komponenten, die den höchsten Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit entsprechen. Da Pioniere wie Dimensionics Density die Technologien zur zerstörungsfreien Dichtebestimmung weiter vorantreiben, verspricht die Zukunft von AM noch mehr Präzision, Effizienz und Innovation und verschiebt die Grenzen dessen, was jenseits der Oberfläche möglich ist.