Ein detaillierter Blick in die Qualifizierungsstrategien für Teile der additiven Fertigung

Die Qualitätssicherung (Qualifizierung) ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für additiv gefertigte Teile, die qualifizierte Struktur- und Maschinenkomponenten ersetzen sollen. Der Qualifizierungsprozess bezieht sich auf die Anforderungen, die an einzelne Teile, Maschinen, Materialien und Prozessparameter auf der Grundlage des Gesamtrisikos gestellt werden, um die Integrität einer Anwendung zu gewährleisten. So kann die Qualifizierung durch den Nachweis der statistischen Äquivalenz auf der Grundlage von Tests vieler zufällig ausgewählter Teile über mehrere Baujobs und Pulverchargen hinweg erreicht werden. Die Teilequalifizierung nutzt die individuelle Leistung eines einzelnen Teils für ein bestimmtes Material, unabhängig von der Maschine, auf der es hergestellt wurde.

Für konventionell hergestellte Teile (z. B. Guss- oder Schmiedeteile) gibt es Richtlinien für die Produktzertifizierung und Akkreditierung, während für additive gefertigte Komponenten eigene Regeln und Zertifizierungsschemata gelten. Da es nur eine Handvoll Normen gibt, die sich mit der Inspektion und Zertifizierung von AM-Produkten befassen, hängt die schnelle Anpassung zur Qualifizierung von AM-Teilen von der Erfassung der Verarbeitungshistorie, der Prozessergebnisse und der Bewertung des Ausgangsmaterials sowie von anderen Sensor- und Fertigungsdaten ab. Aufsichtsbehörden, Forschungslabors und Normungsgremien veröffentlichen und aktualisieren laufend technische Richtlinien, um die Zertifizierung und Qualifizierung von AM-Teilen auf der Grundlage der Forschung und Erfahrung zu unterstützen, die wir als Branche sammeln. Es werden mehrere Schritte unternommen, um sicherzustellen und nachzuweisen, dass gedruckte Teile die gleichen Qualifikations- und Zertifizierungsanforderungen erfüllen wie ihre konventionellen Gegenstücke.

Die Qualifizierung von AM-Teilen kann auf viele Arten erfolgen. Auf der Grundlage verschiedener Methoden lassen sich drei übergeordnete Phasen auf dem Weg zur Qualifizierung ableiten.

1. Installations-Qualifizierung (IQ) - die erste Qualifizierung umfasst das Sammeln von Beweisen, dass alle kritischen Aspekte der Prozessausrüstung und des Hilfssystems den OEM-Spezifikationen entsprechen. Die IQ besteht in der Regel aus zwei Teilen, dem Factory Acceptance Test (FAT), der in der Regel vor der Auslieferung der Hardware beim OEM durchgeführt wird, und dem Site Acceptance Test (SAT), der während der Installation beim Kunden stattfindet. Die während des FAT und des SAT durchgeführten Abnahmejobs sind im Allgemeinen identisch, um die Gleichwertigkeit der Leistung vor und nach der Auslieferung der Hardware nachzuweisen. Das Standardverfahren von EOS für die IQ umfasst die Durchführung von generischen und/oder kundenspezifischen Testjobs auf der Grundlage der Kundenanforderungen für FAT/SAT sowie die Durchführung der erforderlichen Sicherheitsprüfungen und Maschinenkonformitätstests.
2. Operational-Qualifizierung (OQ) - bei dieser Qualifizierung werden die erforderlichen Prozesskontrollen durchgeführt, um eine stabile Materialleistung zu gewährleisten und nachzuweisen, dass die Anforderungen der Materialspezifikation zufriedenstellend erfüllt werden können. Dazu gehört auch die Erstellung von Testjobs mit statischen und/oder dynamischen Testkupons, um die Wirksamkeit und Reproduzierbarkeit nachzuweisen und die Grundlage für die Anwendungsentwicklung zu bilden. Diese Tests werden mit Blick auf die Anforderungen der Endanwendung entwickelt.
3. Performance-Qualifizierung (PQ) - dies beinhaltet die Festlegung des teilespezifischen Designs, des Auftragslayouts, der Prozessinputs und der erforderlichen Nachbearbeitungsschritte, um über die Zeit hinweg konsistente gedruckte Teile zu erhalten. Die Ergebnisse der Erstmusterprüfung sind oft entscheidend für die Erfüllung der Zertifizierungsanforderungen. Basierend auf dem Volumen der produzierten Teile können die Konzepte erweitert werden, um die Prozessfähigkeiten zu berechnen und Strategien für die statistische Prozesskontrolle zu implementieren, um eine höhere Robustheit zu erreichen.

Der Mangel an Klarheit bei den AM-Qualifizierungsstandards kann eine Herausforderung darstellen, da Richtlinien und Verfahren den Kunden nur selten bei der Erstellung ihrer Qualifizierungsprotokolle helfen. So gibt es beispielsweise mehr als ein Dutzend Standards für die Qualifizierung von AM-Teilen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobil- und der Medizinbranche. Im Gegensatz dazu sind die Richtlinien für die Qualifizierung von AM-Teilen, die in der Halbleiter- oder Öl- und Gasindustrie verwendet werden, begrenzt und befinden sich noch in der Entwicklung. Wenn der Qualifizierungsprozess nicht korrekt durchgeführt wird, kann es zu längeren Ausfallzeiten und zusätzlichen Test- und Druckkosten kommen, da jede Qualifizierungsphase erhebliche Ressourcen erfordert. Die Erstellung von Kontrollplänen für Materialien und Prozesse, die Definition von Qualifizierungsprotokollen und die Erstellung kosteneffizienter Testpläne, die sichere und qualitativ hochwertige Teile hervorbringen, kann ohne die Anleitung erfahrener AM-Qualifizierungsspezialisten eine Herausforderung darstellen.

Die Qualifizierung ist sowohl für erfahrene Kunden als auch für Neueinsteiger in den 3D-Druck eine Herausforderung. Obwohl sie unabhängig durchgeführt werden kann, kann es zu Verzögerungen in der Produktion, zusätzlichen Zertifizierungen und einer längeren Markteinführungszeit für Unternehmen mit mehreren Standardisierungen führen. Die Abteilung für angewandte Technik und Schulung bei EOS, bekannt als Additive Minds, verfügt über spezielle Spezialisten für diesen Schritt im AM-Prozess. Als Botschafter der additiven Fertigung sind die Vorbereitung der Kunden und die Entschärfung der mit der Qualifizierung verbundenen Herausforderungen wichtige Schritte, um externe Organisationen darauf vorzubereiten, den 3D-Druck optimal zu nutzen.

Die Qualifizierungsstrategie von Additive Minds basiert auf der Reduzierung der wiederholten Tests einzelner Komponenten und der Unterstützung der Kunden bei der Beschleunigung des Qualifizierungszeitraums durch die Einbeziehung der in den letzten drei Jahrzehnten gewonnenen Erkenntnisse - damit müssen unsere Kunden das Rad nicht neu erfinden. Das EOS-Team führt maßgeschneiderte CTQ-Workshops (Critical-to-Quality) und PFMEA-Workshops (Process Failure Mode Effect Analysis) durch, die wichtige Erkenntnisse über die Qualifizierungsbereitschaft der Kunden liefern. Additive Minds nutzt auch digitale Tools wie Prozesssimulationen, fortschrittliche Robotik, künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen, Fernüberwachung sowie Augmented Reality und Virtual Reality (AR/VR) mit EOS-Systemen, um Kunden bei der Entwicklung einer robusten Plattform zu unterstützen, die den Übergang zu qualifizierten gedruckten Teilen beschleunigt.

In der AM-Industrie bedeutet ein qualifiziertes Teil eine wiederholbare, reproduzierbare, vorhersehbare und konsistente Leistung mit der Fähigkeit zur Skalierung für die Massenproduktion. Während die AM-Technologien weiter reifen, liegt der Schwerpunkt im nächsten Jahrzehnt auf der Herstellung qualifizierter Teile für verschiedene Anwendungen in großen Mengen, die für eine breite Akzeptanz dieser Fertigungsmethode in den traditionellen Industrien entscheidend sind.

Wenn Sie daran interessiert sind, die Qualifizierungsstrategien Ihres Unternehmens zu besprechen, wenden Sie sich bitte noch heute an das Additive Minds-Team.

Author: Yash Parikh, Ph.D., Process Engineering Consultant, EOS North America