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Rennsport Formel 1: Qualitätsmanagement bei additiven Bauteilen

| Autor/ Redakteur: Gabriele Mäurer / Stefan Guggenberger

Der 3D-Druck gewinnt immer mehr an Bedeutung, besonders bei Leichtbauteilen in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie. Auch in der Königsklasse des internationalen Rennsports – der Formel 1 - ist AM angekommen. Die Qualitätssicherung mit CT-Technologie für sicherheitsrelevante Teile ist hier von größter Bedeutung.

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Das aktuelle Formel-1-Auto von Mercedes AMG Petronas.
Das aktuelle Formel-1-Auto von Mercedes AMG Petronas.
(Bild: © Daimler AG)

Für die Fertigung von Kleinserien, Prototypen oder Ersatzteilen sind additive Produktionsverfahren bereits weit verbreitet. Mit 3D-Druck können komplexe Geometrien konstruiert werden, die als Gussteile extrem schwierig oder sehr teuer herzustellen wären. Neben Kunststoffen und (Leicht-)Metallen eignen sich auch Hybridmaterialien. Der Einsatz der additiven Fertigung in der Massenproduktion ist heute noch vergleichsweise teuer, hat aber langfristig viel Potenzial.

Ein wichtiges Kriterium für die Herstellung von additiven Komponenten ist die Qualitätssicherung, die insbesondere für sicherheitsrelevante Teile, wie sie beispielsweise in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt werden, von großer Bedeutung ist. Typische Fehler im 3D-Druckprozess sind Pulverrückstände, Verunreinigungen, Einschlüsse oder Verformungen an den Druckteilen, welche die Qualität beeinträchtigen.

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Der Einsatz der industriellen Röntgentechnik, d.h. der digitalen Röntgen- und Computertomographie (CT), liefert zusätzliche Informationen und bietet entscheidende Vorteile bei der Fehlererkennung. Selbst bei komplexen Bauteilen kann mit CT die äußere und innere Struktur präzise bestimmt werden. Diese Informationen sind insbesondere für die Prototypenqualifizierung unerlässlich.

CT für additiv hergestellte Formel-1-Komponenten

In der Formel 1 zählt jedes Milligramm, darum suchen die Teams auch stetig nach Möglichkeiten Gewicht zu reduzieren. Durch die enorme Konstruktionsfreiheit von AM sind gedruckte Bauteile oft deutlich leichter, als herkömmliche. Darum setzten immer mehr Rennsportteams auf 3D-Druck.

Im Folgenden werden drei additive gefertigte Komponenten für die Formel 1 - vom eloxierten Aluminium-Ölpumpengehäuse über einen Kunststoff-Lufteinlassdiffusor bis hin zu einer Titan-Hydraulikkomponente - vorgestellt und mit Hilfe von CT analysiert.

1. Eloxiertes Aluminium

Der CT-Scan zeigte zwei Risse, die durch die Beschichtung nicht sichtbar waren.
Der CT-Scan zeigte zwei Risse, die durch die Beschichtung nicht sichtbar waren.
(Source: Yxlon)

Wie vorteilhaft der Einsatz der Computertomographie ist, zeigt das erste Beispiel des eloxierten Aluminium-Ölpumpengehäuses. Die Eloxalschicht bietet eine sehr harte und kratzfeste Oberfläche, die den besonders hohen Belastungen während eines Formel-1-Rennens standhält. Zu diesem Zeitpunkt wurde das Gehäuse von der optischen Beurteilung als akzeptabel eingestuft. Der CT-Scan (Röntgenaufnahme des rotierenden Bauteils mit einer 225kV-Röntgenröhre, Rekonstruktion des digitalen 3D-Volumens und Einbau einer virtuellen Schneidachse durch das Bauteil) zeigte zwei Risse, die durch die Beschichtung nicht sichtbar waren. Mit Hilfe von CT konnte das Ölpumpengehäuse als fehlerhaftes Bauteil identifiziert werden.

2. Kunststoff-Lufteinlass-Diffusor

Auch für den Kunststoff-Lufteinlass-Diffusor erwies sich der Einsatz der Computertomographie als vorteilhaft. In einer Materialanalyse wurden zwei verschiedene Diffusoren mit unterschiedlichen Materialgemischen auf Poren und Einschlüsse untersucht. In der Analyse zeigte der erste Diffusor, aus hitzebeständigem Polyamid, isolierte Poren mit einer Größe von 1,1 m³ bis 0,04 m³. Der zweite Diffusor zeigte eine gleichmäßige Verteilung von Einschlüssen in der Komponente (Größe 0,034 m³ bis 0,3 m³), die speziell eingeführt wurden, um die Materialeigenschaften zu verändern und beispielsweise die Festigkeit der Komponente zu erhöhen. Der anschließende Soll-Ist-Vergleich dient dem Nachweis der Reproduzierbarkeit der Teile. Der Soll-Ist-Vergleich mittels CT ist insbesondere für die Messung von Innenstrukturen sinnvoll, da dies mit anderen zerstörungsfreien Messverfahren derzeit nicht möglich ist.

3. Titanhydraulische Komponente

Der CT kann auch wertvolle Informationen über den 3D-Druckprozess bei der Untersuchung der Wanddicke einer titanhydraulischen Komponente liefern. Es wurden die Rohrdurchmesser in Längsrichtung und an den abgerundeten Enden untersucht. Während die Wanddicken im Längsbereich innerhalb der Toleranz liegen, zeigt der runde Bereich Abweichungen, d.h. unregelmäßige Durchmesser und unzureichende Wanddicken (bis zu -0,1 mm). Die folgenden Fragen stellen sich: Welchen Einfluss hat die 3D-Druckrichtung auf die Wanddicke? Wird das Strömungsverhalten durch zu dünne Wände beeinträchtigt? Führen sehr dünne Wände unter hoher Belastung zu Rissen oder Brüchen? Diese Fragen wären ohne den Einsatz der Computertomographie möglicherweise nicht aufgetreten. Eines ist sicher: Um diese Fragen zu beantworten, müssen weitere Untersuchungen durchgeführt werden.

CT - Ein nützliches Werkzeug zur Qualitätskontrolle von Druckteilen

Die Computertomographie ermöglicht einen Blick in das Innere der additiv gefertigten Bauteile. Mit virtuellen Schnitten des 3D-Volumens können die erkannten Fehler direkt in einem dreidimensionalen Raum dargestellt werden. Neben der Darstellung spezifischer additiver Fertigungsfehler wie Pulverrückstände, Einschlüsse oder Delaminationen können interne Strukturen gemessen und Abweichungen vom Standard aufgezeigt werden. Darüber hinaus können Rückschlüsse auf den 3D-Druckprozess gezogen werden.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Spotlightmetal veröffentlicht.

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