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Production sequence of Si-spheres and interferometrical determination of the sphere volume

Steps to digitize manufacturing process chains using the example of additive manufacturing

22.11.2022

Die vom BMWK unterstützte Initiative QI-Digital hat zum Ziel, das Potenzial der zunehmend digitalisierten Welt auch für die Qualitätsinfrastruktur (QI) in Deutschland, die weltweit eine Vorreiterrolle einnimmt, zu nutzen. Hierfür arbeiten wichtige Akteure der QI in Deutschland (DAkkS, DIN, DKE, BAM und PTB) jeweils auf ihren Kompetenzfeldern daran, die Qualitätssicherung von Produkten, Prozessen und Dienstleistungen zu analysieren und neue Lösungsansätze zu erarbeiten.

Anhand von in QI-Digital definierten Fallbeispielen sollen konkrete Umsetzungen zur Realisierung einer digitalen QI entwickelt werden. In einem der Anwendungsfälle geht es um die Additive Fertigung, die vielfältige neue Möglichkeiten für die flexible Herstellung komplexer Produkte bietet, was wiederum aus Sicht der Qualitätssicherung große Herausforderungen mit sich bringt. Die Komplexität steigt nochmals bei der Kombination von additiven und subtraktiven Fertigungsschritten, der so genannten hybriden Fertigung. Zahlreiche Fragen nach der Maßhaltigkeit von Geometrien und dem zuverlässigen Einsatz entsprechender Fertigungs- und Messtechnik, dem Datenaustausch vom Konstruktionsprozess über die Fertigung bis hin zum Messprozess und möglicher Nachbearbeitungsschritte, dem Umgang mit entsprechend hohen Datenmengen usw. müssen vor dem Hintergrund wirtschaftlicher Aspekte geklärt werden. Die PTB kann hier sowohl aus fertigungstechnischer als auch aus messtechnischer Sicht ihre fachliche Expertise einbringen – eine für die definierten Projektziele gewinnbringende Symbiose. Ergänzend hierzu werden bei der Analyse der Prozessketten der Additiven Fertigung auch Fragen der Materialcharakterisierung durch eine Kooperation mit der BAM einbezogen. Hierbei geht es sowohl um die verwendeten Pulver als Ausgangsmaterial als auch um die mechanischen Eigenschaften der additiv gefertigten Komponenten.

Am Beispiel der hybriden Fertigung einer Ersatzteilkomponente konnten die Anforderungen an das Datenmanagement für die Prozesse der Fertigung und der dimensionellen Qualitätssicherung analysiert werden (siehe Abbildung). Im Fallbeispiel wird ein defektes Bauteil mittels industrieller Computertomographie (CT) messtechnisch erfasst. In einem lokalen Speicher wird durch Einsatz von Auswerte- und Rekonstruktionssoftware die Soll-Oberfläche ermittelt, so dass die anschließende Fertigung und Qualitätssicherung auf Basis der vorliegenden Informationen aus dem Datenmanagement weitestgehend automatisiert erfolgen kann. Neben den Prozessschritten, die an der tatsächlichen Entstehung des Bauteils beteiligt sind, ist das Datenmanagement außerdem mit der dies überwachenden Instanz, der QI-Cloud, verlinkt. Sie bildet das digitale Herzstück der unabhängigen Qualitätsinfrastruktur. So werden beispielsweise ausgedruckte Kalibrierscheine durch maschinenlesbare „Digital Calibration Certificates“ (DCC) ersetzt und relevante Informationen aus Normen und Richtlinien werden zukünftig von „SMART Standards“ zur Verfügung gestellt.


Prozesskette für eine digitalisierte Qualitätsinfrastruktur am Beispiel eines additiv gefertigten Bauteils

Für das datenbasierte Ineinandergreifen der fertigungs- und messtechnischen Prozesse konnten bereits erste Lösungsansätze gefunden werden. So konnte die digital ablaufende Prozesskette grundlegend entwickelt und anhand eines ersten Pilotbauteils in Form eines Krümmersammlers exemplarisch durchlaufen werden. Der Krümmersammler eignet sich in besonderer Weise für die hybride Fertigung, da der direkte 3D-Druck inklusive Nachbearbeitung der Funktionsflächen dieser komplexen Geometrie wesentlich effizienter ist als eine herkömmliche Fertigung. Neben der additiven Fertigung, entsprechender Nachbearbeitung und der messtechnischen Erfassung dieses Bauteils wurden Datenformate für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation definiert (z. B. STL-Format für QS an Fertigung und STEP-Format für Fertigung an QS), relevante Daten selektiert und Datenmengen auf diese Weise, so weit möglich, reduziert (für den Krümmersammler z. B. betragen die Volumendaten der CT 11 GB, die selektierten Oberflächendaten nur noch ca. 2 GB) sowie ein Datenaustausch über die QI-Cloud und Datenmanagement aktiviert. Letzteres birgt wohl auch zukünftig die größten Herausforderungen – die anwendungsspezifische Eingabe und Bereitstellung aller relevanten Daten, in angemessener Sicherheit, Größe und Kompatibilität.

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