Maschine Vision als Schlüsseltechnologie – Industrie-Partner gesucht

Qualität im 3D-Druck automatisiert sichern

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3D-Druck ist ein Hoffnungsträger der Industrie 4.0. Doch im Bereich Qualität gibt es für die additive Fertigung noch keine Normen. Das Fraunhofer IPA hat ein innovatives System entwickelt, mit dem sich die Qualität schon während des Drucks automatisiert prüfen lässt.

3D-gedruckte Bauteile sind laut Dr.-Ing. Simina Fulga-Beising die Hoffnungsträger von Industrie 4.0. „Sie vereinen Funktionalität, Flexibilität, Komplexität und Individualität.“ Man kann damit individualisierte Werkstücke mit komplexen Geometrien und integrierten Funktionalitäten fertigen, zum Beispiel individuelle Prothesen oder Orthesen. Außerdem ist die Additive Fertigung der einzige Produktionsprozess, der heute schon vollständig digital gesteuert wird. Losgröße 1 lässt sich damit realisieren.

Noch hat die Additive Fertigung aber einen Haken: „Für die gesamte Qualitätssicherung gibt es noch keine fest etablierten Normen“, kritisiert Fulga-Beising. Gerade in Branchen wie der Medizintechnik sind Sicherheit und Reproduzierbarkeit aber extrem wichtig. Zudem verursachen fehlende Qualitätskontrollen während des Drucks hohe Kosten. „Der Drucker arbeitet völlig autark. Im schlimmsten Fall bemerkt man den Fehler erst, wenn das Bauteil fertig ist. Da ist die Maschine aber schon viele Stunden gelaufen und es wurde viel Material und Energie verschwendet“, bemängelt die IPA-Forscherin. Den Vorgang von einem Techniker überwachen zu lassen, wäre angesichts der langen Maschinenlaufzeit viel zu teuer.

Um die Qualität im 3D-Druck automatisiert kontrollieren zu können, hat Fulga-Beising daher ein System entwickelt, das die Qualität inline – also schon während des Drucks – sicherstellt. Ein Prototyp für ein solches Inline-Qualitätskontrollsystem mit anpassbarer prozessintegrierter Sensormesstechnik wurde 2016 im Rahmen des Applikationszentrums Industrie 4.0 realisiert. IQ4AP basiert auf einer Blackbox, die eine Kamera, Beleuchtung und Belüftung enthält.

Kamera überwacht Prozess

Bei ihrem System hat Fulga-Beising auf Technologien des maschinellen Sehens gesetzt. Ein Kamerasystem scannt die frisch aufgetragenen Pulverschichten und die gesinterten Schichten direkt im Prozess. Anschließend werden die Bilder mit mehreren Algorithmen geprüft. „Grobe und feine Defekte werden sofort erkannt. Sogar die Merkmale der gesinterten Schicht, wie zum Beispiel Längen oder Lochdurchmesser, können inline gemessen werden. Man erhält damit ein Bauteilqualitätsprotokoll auf Schichtebene.“

Der Maschinenbetreuer wird automatisch benachrichtigt, etwa per SMS oder E-Mail, und kann entscheiden, was zu tun ist. Auch Toleranzen, zum Beispiel der maximale Abstand von Löchern, lassen sich festlegen. Der Prozess ist jetzt validierbar. „Mit industrieller Computertomographie konnten wir die Ergebnisse des Inline-Qualitätskontrollsystems bestätigen“, freut sich Fulga-Beising.

Die Hardware des Inline-Qualitätskontrollsystems kostet gerade einmal 2500 Euro. Praktisch ist, dass es maschinenunabhängig ist und man es an jeden beliebigen 3D-Drucker andocken kann. „So ist keine Kühlung notwendig, um die Hardwarekomponenten gegen die hohen Temperaturen im Druckbereich zu schützen“, erklärt die Forscherin.

Theoretisch lässt sich das Modul auch für die Qualitätskontrolle im Metallbereich adaptieren. Ein entsprechendes Soft- und Hardwarekonzept hat Fulga-Beising in ihrer Dissertation entwickelt. Außerdem ist IQ4AP modular aufgebaut und lässt sich damit beliebig erweitern. Jetzt sucht das IPA nach Partnern, die das System testen und in gemeinsamen Projekten bedarfsgerecht erweitern wollen. „Erste Anfragen gibt es schon“, freut sich die Forscherin.

Die Arbeit am Inline-Qualitätskontrollsystem ist aber noch lange nicht abgeschlossen. „Im nächsten Schritt soll das System durch maschinelles Lernen selbst beurteilen, was der Fehler für den Druckprozess bedeutet“, erklärt Fulga-Beising. Dazu gehört, nicht nur zu entscheiden, ob er gestoppt werden soll, sondern auch Rückschlüsse zu ziehen und das Verfahren zu optimieren. Fulga-Beising: „Auf dem Weg zur selbststeuernden Produktion ist das ein wichtiger Schritt.“

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

www.ipa.fraunhofer.de

Der Beitrag ist Teil einer exklusiven Serie in der Automationspraxis, in der Expertinnen und Experten des Fraunhofer IPA wichtige Aspekte der Industrie 4.0 erklären.



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