Qualitätssicherung additiv gefertigter Produkte durch Inline-Einsatz von Wärmebildkameras

Hefner: In dem Projekt, über das wir heute sprechen wollen, geht es um Thermographie. Kannst du kurz erklären, was das genau ist?
Lulei: Die Thermografie beschreibt ein Mess- oder Prüfverfahren, mit dem die Oberflächentemperatur eines Objekts bildhaft dargestellt werden kann. Die meisten Menschen kennen bereits das dafür eingesetzte System – die Wärmebildkamera. So kommt sie z. B. bei der Prüfung von Gebäudefassaden auf innenliegende Wärmebrücken oder eben bei der Prüfung von Kunststoffbauteilen auf innenliegende Fehlstellen zum Einsatz.

Hefner: Sebastian, in deinem Projekt wurde diese bewährte Prüfmethode der Thermografie auf den 3D Druck übertragen. Die einfache Frage zuerst: Warum macht das Sinn?
Lulei: Gerade im Bereich additiver Fertigung ist es sinnvoll, die Bauteilqualität bereits bei der Herstellung zu überwachen, da die Teilezahl sehr gering und der Produktwert meist sehr hoch ist. Hinzu kommt, dass viele Anwendungsfelder für 3D-gedruckte Teile in den medizinischen oder anderen sicherheitssensiblen Bereichen liegen. Beispielsweise im Flugzeugbau – also dort wo man eine kleine Menge aber sehr individuelle oder komplexe Teile benötigt – ist eine 100%-Kontrolle bereits im Prozess immer sinnvoll. Die Thermografie wird am SKZ bereits sehr erfolgreich für die Überwachung anderer Prozesse wie dem Spritzgießen, Fügen und der Extrusion eingesetzt. Hier bietet das SKZ interessierten Unternehmen sogar kommerziell verfügbare, selbst entwickelte Systeme einschließlich Integration und Wartung an. Ein Transfer auf den Anwendungsbereich additiver Fertigung war also naheliegend und sehr aussichtsreich.

Hefner: Was waren die Herausforderungen und wie bist du vorgegangen?
Lulei: Zuerst mussten wir es hinkriegen, gezielt und reproduzierbar Fehlstellen durch den Druckprozess in das Bauteil einzubringen. So wurden mittels des FFF-Verfahrens innenliegende Lunker oder eine fehlende Schichthaftung durch Variation der Düsentemperatur oder Flowrate provoziert. Anschließend haben wir die absichtlichen Fehlstellen mithilfe anderer zerstörungsfreier Prüfverfahren wie der Computertomografie, die man vielleicht vom Arzt kennt, referenziert. Als erste Aufgabe stand es dann an, überhaupt erstmal eine geeignete Position für die notwendige Wärmebildkamera zu finden, bei der die Fehler möglichst gut erkannt werden können. Es ist schließlich sehr wichtig, die Fehlstelle räumlich lokalisieren zu können und nicht nur zu wissen, dass beim Druck irgendwas schiefläuft. Abschließend haben wir verschiedene Auswertemethoden für die aufgenommenen Daten erprobt. Am Ende waren die Ergebnisse so vielversprechend, dass wir auch bei diesem Anwendungsfeld über eine Kommerzialisierung nachdenken.

Hefner:  Also sind Fehlstellen mit Thermografie inline erkennbar. Gilt das auch, wenn sie bereits überdruckt wurden?
Lulei: Tatsächlich ja. Man hat dann sogar eine Tiefeninformation und kann die Lage der Fehlstelle im Bauteil sehr exakt lokalisieren. Jetzt gilt es, die Eignung des Verfahrens auf die Vielfalt unterschiedlicher Kunststoffe zu übertragen.

Hefner: Wäre das ein mögliches Erweiterungsthema?
Lulei: Ja, definitiv. Gerade bei der Materialvielfalt sind wir aber auf Bereitstellungen seitens der Industrie angewiesen, da viele Unternehmen sehr anwendungsspezifische Materialien einsetzen. Darüber hinaus forschen wir gerade an Auswertemethoden auf Basis künstlicher Intelligenz, da die Datenmenge, die beim Bauteildruck erzeugt wird, sehr groß ist. Hier bieten sich z. B. Verfahren des maschinellen Lernens an. Erste Ansätze dazu sind sehr vielversprechend.

Hefner: Vielen Dank für das Interview, Sebastian.