Design für die Prüfbarkeit von 3D-gedruckten Bauteilen: Vorsehen von Prüfbezügen und Messkonzepten

Warum ein Design für die Prüfbarkeit so wichtig ist

Im Bereich des Präzisionsingenieurwesens gilt ein Grundsatz: Man kann nur das beherrschen, was man messen kann. Bei 3D-gedruckten Bauteilen ist aufgrund der prozessbedingten Schwankungen die Qualitätsprüfung und Maßverifikation noch wichtiger als in der konventionellen Fertigung. Design for Inspectability ist eine Methodik, die bereits in der Konstruktionsphase die späteren Prüfanforderungen umfassend berücksichtigt. Sie stellt sicher, dass das Bauteil nach dem Druck effizient, präzise und wirtschaftlich auf Maße und Funktion geprüft werden kann. Die komplexen Geometrien von 3D-gedruckten Bauteilen stellen herkömmliche Prüfverfahren vor enorme Herausforderungen. Die Messsonde einer Koordinatenmessmaschine kann geschlossene Bereiche möglicherweise nicht erreichen; ein optischer Scanner kann in tiefen Nuten oder Schattenbereichen Datenlücken erzeugen; Röntgen-CT kann zwar interne Defekte erkennen, ist aber extrem kostspielig. Werden die Zugänglichkeit für die Prüfung und Messung bereits in der Konstruktionsphase nicht berücksichtigt, kann es dazu kommen, dass das Bauteil nicht verifiziert werden kann, was wiederum Qualitätsrisiken mit sich bringt.

Grundsätze für die Auslegung von Prüfbezügen

Prüfbezüge sind das Referenzgerüst für alle nachfolgenden Maßmessungen; ihre Auslegungsqualität entscheidet direkt über Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit der Messergebnisse. Nach GD&T sollten Prüfbezüge den Grundsätzen maximale Priorität, Funktionspriorität und Stabilitätspriorität folgen. Bei 3D-gedruckten Bauteilen weist die Druckplattform in der Regel eine hohe Ebenheit auf, sodass die mit der Plattform in Kontakt stehende Fläche als Hauptbezug verwendet werden kann. Bei der Auslegung von Prüfbezügen sollte sichergestellt werden, dass die Bezugsmerkmale ausreichend groß und stabil sind. Die Ebenheit der Bezugsfläche sollte innerhalb von 0,05 mm liegen, und die Toleranz des Durchmessers der Bezugsbohrung sollte H7 nicht überschreiten. Für komplexe, gekrümmte Bauteile, die keine drei orthogonalen Bezugsflächen bereitstellen können, können spezielle Prüfbezugsmerkmale ausgelegt werden, etwa Prüfbearbeitungslöcher, Prüfflächen oder Prüfaufbauten. Diese Merkmale können in nichtkritischen Bereichen angeordnet werden und nach Abschluss der Prüfung bei Bedarf durch Nachbearbeitung entfernt werden.

Design für die Messzugänglichkeit

Die Messzugänglichkeit bezeichnet die Fähigkeit der Sensoren oder Messstifte des Messgeräts, das zu messende Merkmal zu erreichen. Bei der Konstruktion von 3D-gedruckten Bauteilen sollte die Entstehung von Mess-Sackgassen aktiv vermieden werden. Zu den häufigen Mess-Sackgassen zählen der Boden tiefer Bohrungen mit einem Tiefen-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 5:1, das Innere geschlossener Hohlräume, enge Kanäle mit einer Breite von weniger als 3 mm sowie Bodenflächen, die von hohen Seitenwänden umgeben sind. Strategien zur Verbesserung der Messzugänglichkeit umfassen die Auslegung von Inspektionsfenstern an geschlossenen Hohlräumen; die Fenstergröße sollte den Zugang von Messsonden oder dem Sichtfeld optischer Scanner ermöglichen; bei tiefen Bohrungen sollte eine Durchgangsbohrung statt einer Sackbohrung ausgelegt werden; bei zwingend geschlossenen Hohlräumen sollte eine Opferbohrung für die Prüfung vorgesehen werden, die nach der Messung mit einem Stopfen verschlossen wird; bei komplexen Freiformflächen sollten Messhilfsflächen konstruiert werden, um die Geometrie in auf einer Ebene messbare Merkmale umzuwandeln.

Anwendung von GD&T bei 3D-gedruckten Bauteilen

GD&T ist der internationale Standard zur präzisen Beschreibung von Konstruktionsabsichten und für 3D-gedruckte Bauteile besonders wichtig. Herkömmliche Toleranzangaben können die Montage- und Funktionsanforderungen komplexer Geometrien nicht vollständig ausdrücken, während GD&T durch die Definition von Bezügen sowie Form und Lage des Toleranzbereichs eine präzisere technische Kommunikationssprache bietet. Bei 3D-gedruckten Bauteilen sollten insbesondere die folgenden GD&T-Symbole angewendet werden: Ebenheit und Geradheit zur Kontrolle des Einflusses der Druckplattform auf die Flächenqualität; Rundheit und Zylindrizität zur Kontrolle der Genauigkeit rotierender Merkmale; Lage zur Kontrolle der relativen Position von Lochbildern und Montagemerkmalen; Profil zur Kontrolle der Formgenauigkeit freier Oberflächen. Bei der Bemaßung nach GD&T muss das Bezugssystem eindeutig definiert sein, da die Toleranzangabe sonst ihren Referenzrahmen verliert.

Auswahl und Auslegung des Prüfkonzepts

Unterschiedliche 3D-gedruckte Bauteile erfordern unterschiedliche Prüfkonzepte. Für Bauteile mit einfacher Geometrie reicht eine taktile CMM-Messung aus; für Bauteile mit Freiformflächen sind optische Scans oder Lasertracker besser geeignet; für die Prüfung innerer Defekte ist die industrielle CT die beste Wahl; für die Serienfertigung kann der Einsatz spezieller Lehren erwogen werden, um die Prüfeffizienz zu erhöhen. Wenn bereits in der Konstruktionsphase ein Prüfkonzept festgelegt wird, kann dieses die Optimierung des Designs rückwirkend unterstützen. Wenn beispielsweise optische Scans als Hauptprüfmethode gewählt werden, sollten tiefe Nuten mit hohem Tiefen-Breiten-Verhältnis vermieden werden; wenn eine CMM verwendet wird, sollte um das zu prüfende Merkmal herum ausreichend Freiraum für den Zugang der Messsonde vorhanden sein. Für kritische Bauteile, die zu 100 % geprüft werden müssen, sollte bereits in der Konstruktion die Machbarkeit einer automatisierten Prüfung berücksichtigt werden.

Durchgängige Digitalisierung vom Design bis zur Prüfung

Moderne Qualitätsmanagementsysteme unterstützen eine durchgängige Digitalisierung vom Entwurf bis zur Prüfung. Durch die direkte Kennzeichnung von GD&T und Prüfanforderungen im CAD-Modell können Prüfprogramme automatisch erzeugt werden, wodurch ein effizienter Workflow von der Konstruktion bis zur Prüfung entsteht. Digitale Prüfaufzeichnungen können zudem mit den Prozessparametern des 3D-Drucks verknüpft werden, um eine Datenkette zur Qualitätsrückverfolgbarkeit aufzubauen. Die wichtigsten Schritte zur Umsetzung einer durchgängigen Digitalisierung umfassen das direkte Annotieren von GD&T und Prüfanforderungen in der CAD-Software.