So funktioniert Qualitätssicherung im 3D-Druck
Gastbeitrag von Tobias Werner, BSc, Labortechniker für 3D-Druck und Robotik am interdisziplinären Forschungszentrum für Nutzerzentrierte Technologien der FH Vorarlberg
25.11.2021
Der 3D-Druck erreicht immer mehr Bereiche der Industrie – auch solche mit hohen Qualitätsansprüchen. Um fehlerfreie Bauteile zu erhalten, bedarf es entsprechender Maßnahmen wie Druckprozessüberwachung und Qualitätssicherung. Mit diesen Themen beschäftigt sich die FH Vorarlberg im Interreg-Projekt ABH081 „Neue Geschäftsmodelle mit 3D-Druck“.
Um zu gewährleisten, dass der 3D-Drucker ein Bauteil innerhalb der erlaubten Toleranzen druckt, tastet ein Laser nach jeder gedruckten Schicht die Oberfläche des Modells ab. Die daraus entstehenden Daten werden mit einem Referenzmodell verglichen und die Abweichungen mit einer Genauigkeit von <0,01 mm dargestellt. Die dafür notwendigen Daten werden per Blockchain verschlüsselt, lizenziert und verschickt.
Vorverarbeitung der Druckdaten
Damit der Forschungsprototyp funktioniert, wird in einem ersten Schritt der Maschinencode für das zu druckende Teil analysiert und modifiziert. Dafür werden zunächst alle Koordinaten, die der Druckkopf jemals anfahren wird, gesammelt und „aufgeblasen". Denn die Koordinaten geben nur die Position des Mittelpunkts der Düse an und nicht das dadurch entstehende Volumen des Materialauftrags. Aus dieser dichten Punktewolke – unter Berücksichtigung aller Stütz- und Füllstrukturen – wird für jede Schicht ein Referenzmodell generiert. Anschließend werden bei jedem Schichtwechsel im Maschinencode des Druckers Bewegungsbefehle eingefügt, die den Laserscanner über das Druckbett bewegen.
Sicherstellen der Übertragung
Die verschlüsselte Datenübertragung spielt bei der Qualitätssicherung ebenfalls eine große Rolle. Verschlüsselung ist nach wie vor eine Technologie, die in der Industrie noch viel zu selten eingesetzt wird. Um das gewünschte 3D-Modell bis zu seiner Produktion zu schützen und quasi geheim zu halten, hat die Projektgruppe eine Übertragung entwickelt, die sich sowohl symmetrischer als auch asymmetrischer Verschlüsselungsalgorithmen bedient. Dadurch erreicht man eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung. Zusätzlich werden die Datenübertragungen auf Blockchain-Technologie aufgezeichnet. So lassen sich die Auslieferung, der Empfang und später sogar die Analyse fälschungssicher verfolgen. Jedoch nur so lange, wie die Schnittstellen auch gesichert sind. Dazu untersuchen die Projektpartner neue Wege der Lizenzierung oder Zertifizierung, die mit einem Minimum an zusätzlicher Hardware auskommen.
Analyse während des Druckvorgangs
Der Linien-Laserscanner wird vor jeder Schicht einmal über den Bauraum und wieder zurückgeschoben. Ein MATLAB-Skript wertet laufend die Höhenprofile aus, ein fixer Ausschnitt des Erfassungsbereichs wird für die exakte Positionierung verwendet. Ist der Scan einer Schicht abgeschlossen, wird der entsprechende Datensatz abgespeichert. Ein paralleler Prozess vergleicht diesen mit dem in der Vorverarbeitung generierten Referenzmodell und speichert einen Screenshot davon ab. Liegen Abweichungen vor, zeigt dies ein entsprechender Farbverlauf an: Grün bedeutet, der gescannte Punkt liegt genau auf der Oberfläche. Bei Ungenauigkeiten folgt ein Farbverlauf über Gelb (bei 0,1 mm Abstand) bis hin zu Rot (ab 0,2 mm Abstand).
Weiterverwendung der Daten
Neben der Klassifizierung, ob ein Bauteil kritische Fehler aufweist und deshalb als Ausschuss zu betrachten ist, kann die Information über eventuelle Aufmaße für die Weiterverarbeitung nützlich sein. Etwa ob ein nachfolgender Schleifprozess notwendig ist, um an entsprechenden Stellen Material abzutragen, damit die Formgenauigkeit gewährleistet ist. Die Daten können auch zu einem (digitalen) Prüfbericht zusammengefasst werden, der über die gesamte Produktlebenszeit Auskunft gibt. Aktuell erforscht die Projektgruppe, wie die Informationen vom Linien-Laserscanner ebenso sicher wie der Maschinencode zurückgeschickt werden können.