3D-Metalldruck Für kritische Anwendungen: Prozesskontrolle bei der additiven Fertigung mit der Titanlegierung Ti64

Autor / Redakteur: Martijn Vanloffelt* / Stefan Guggenberger

Hochregulierte Branchen wie die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrt setzten zunehmend auf Direktmetalldruck. Wie AM-Prozesse und -Maschinen in diesen kritischen Bereichen validiert und qualifiziert werden.

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Durch Qualifizierung und Validierung der AM-Prozesse können diese besser skaliert und effizienter durchgeführt werden.
Durch Qualifizierung und Validierung der AM-Prozesse können diese besser skaliert und effizienter durchgeführt werden.
(Bild: 3D-Systems)

Das pulverbettbasierte Laserschmelzen (LPBF) ermöglicht die Herstellung von hochgradig optimierten Metallteilen. In den letzten zehn Jahren hat sich die LPBF-Technologie – wie der Direktmetalldruck (DMP) – deutlich weiterentwickelt. Stark regulierte Branchen wie das Gesundheitswesen und die Luft- und Raumfahrt haben diese Technologie übernommen und können damit Metallteile mit verbesserter Funktionalität und Leistungsfähigkeit oder erheblichen Gewichtseinsparungen herstellen.

DMP-Komponenten für solche anspruchsvollen Anwendungen werden häufig in Ti6Al4V hergestellt, da das Material der Legierung Eigenschaften wie Biokompatibilität, ein gutes Verhältnis von Stärke und Gewicht und eine hervorragende Ermüdungsbeständigkeit aufweist. Komponenten, die in der Luft- und Raumfahrt sowie im Gesundheitswesen eingesetzt werden, sind strengen Validierungs- und Qualifizierungsverfahren sowie Anforderungen an die Qualitätssicherung unterworfen. Für diese Branchen sind stabile und leistungsfähige Fertigungsprozesse nötig, die die Anwendung und Industrialisierung einer bestimmten Fertigungstechnologie erleichtern. Daher sind Ausrüstung und Prozessarchitektur in Kombination mit Validierung und Qualifizierung entscheidend für die Entwicklung der DMP-Technologie über die Einführung hinaus zu einer vollständig qualifizierten Serienfertigung kritischer Komponenten.

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Vom Pulverrohstoff bis zur Qualität der gedruckten Teile: Prozesskontrollen

Abbildung 1: Vereinfachter DMP-Prozessablauf, insbesondere Variablen und Merkmale des pulverförmigen Ausgangsmaterials, Prozesscharakterisierung/-validierung und DMP-Produkt.
Abbildung 1: Vereinfachter DMP-Prozessablauf, insbesondere Variablen und Merkmale des pulverförmigen Ausgangsmaterials, Prozesscharakterisierung/-validierung und DMP-Produkt.
(Bild: 3D Systems)

Eine Bewertung hinsichtlich der DMP-Qualifizierung zur Produktion kritischer Anwendungen beruht auf einer risikobasierten Analyse des gesamten DMP-Prozessablaufs vom Pulverrohstoff bis zum gedruckten Teil. Ein vereinfachtes Flussdiagramm, das diese Komponenten enthält, ist in Abbildung 1 dargestellt.

Rohmaterial: Die Qualitätssicherung des Rohstoffpulvers ist die erste Voraussetzung für die Herstellung hochwertiger und reproduzierbarer DMP-Produkte. Die Qualität des Ausgangsmaterials basiert auf der Pulverchemie (d.h. Zusammensetzung, Feuchtigkeit, Sauerstoffgehalt) und intrinsischen Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Pulvermorphologie und der damit verbundenen Fließfähigkeit.

DMP-Prozess: Weiterhin ist ein stabiler DMP-Prozess unbedingt erforderlich. Nur so können zuverlässige DMP-Produkte mit hervorragender Teilequalität geliefert werden, die den Validierungsprozess bestehen. Die Stabilität des Prozesses wird hauptsächlich von drei Prozessvariablen beeinflusst: dem Zustand der DMP-Maschine, dem DMP-Parametersatz und/oder der DMP-Druckdatei, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Robuste Architektur der DMP-Maschine: Ein stabiler DMP-Prozess mit einer geringen Variabilität von Build zu Build und von Maschine zu Maschine beginnt mit einer robusten Maschinenarchitektur und geeigneten Maschinenkalibrierverfahren. Vorteilhaft ist eine DMP-Plattformarchitektur, die einen Vakuum-Zyklus vor dem Druckauftrag ermöglicht, der aktiv Luft und Feuchtigkeit aus der Druckkammer und dem Pulverbett entfernt und sie anschließend mit hochreinem Argongas füllt, wodurch niedrige Sauerstoffwerte erreicht werden. Diese Architektur kommt beispielsweise bei Anlagen von 3D-Systems zum Einsatz.

Eine unzureichende Kontrolle der Schutzgasatmosphäre führt zu einem Anstieg des Sauerstoffgehalts im gedruckten Material, was das Risiko für eine Verschlechterung der Materialeigenschaften erheblich steigert.

Abbildung 2: Siedeeffekt, der den Entzug von Sauerstoff und Feuchtigkeit aus der Pulverzufuhr zeigt.
Abbildung 2: Siedeeffekt, der den Entzug von Sauerstoff und Feuchtigkeit aus der Pulverzufuhr zeigt.
(Bild: 3D Systems)

Darüber hinaus sorgt das Design der DMP-Maschine dafür, dass kein Sauerstoff in die Druckerkammer eindringen kann und somit während des Druckvorgangs nur minimal Argon verbraucht wird. Zusätzlich trägt das Vakuumkammerkonzept dazu bei, das Risiko der Sauerstoffaufnahme durch das Pulver zu eliminieren. Dies stabilisiert die Pulverchemie und verbessert die Wiederverwendbarkeit des Ti6Al4V-Pulvers erheblich.

DMP-Build-Datei: Die Sicherstellung des digitalen Datenaustauschs und die Validierung von Software-Workflows sind Teil der Anforderungen an die Qualitätssicherung und des DMP-Qualifizierungsprozesses. Oft ist es sinnvoll, ein integriertes All-in-One-Softwarepaket für die additive Fertigung zu verwenden. Mit Hilfe von Paketen wie 3DXpert können Anwender dann die Teile vorbereiten, optimieren und in 3D drucken – also den gesamten Workflow abbilden. Dabei sollten Sie darauf achten, dass die Auftragsdatei alle Parameter- und Bemaßungsdaten für das Teil enthält, sodass es auf Maschinen desselben Typs an jedem beliebigen Standort ausgeführt werden kann.

Von grundlegender Bedeutung für eine zuverlässige und reproduzierbare Qualität jedes einzelnen Druckes sind die Qualitätssicherung und die Überwachung des Rohstoffpulvers in Kombination mit einem robusten DMP-Prozess, gut dokumentierten Maschinenkalibrierprotokollen und geschulten Maschinenbedienern. Nur so lässt sich eine nahezu dichte Teilequalität mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und Oberflächenrauheit erzielen.

Robuste Charakterisierung und Qualifizierung verbessern Skalierbarkeit und Effizienz

Nach der Definition der Komponenten ist der Prozess zu charakterisieren und zu qualifizieren. Dies beginnt mit der Entwicklung einer CTQ/CPP-Matrix (Critical-to-Quality versus Critical Process Parameter), damit Einflüsse bestimmt und ein Lernpfad geschaffen werden kann. Auf dieser Grundlage werden Studien entwickelt und objektive Nachweise ermittelt, bevor die vollständige Prozessvalidierung durchgeführt wird. Die Ausgabe der CTQ/CPP-Matrix wird als Eingabe für eine Charakterisierung des Prozesses (Design of Experiment; DoE) verwendet und fließt schließlich in eine Operational Qualification (OQ) ein, die sogenannte Challenge-Variablen und ein Prozessfenster bereitstellt.

Abbildung 3: Flussdiagramm zur DMP-Qualifizierung.
Abbildung 3: Flussdiagramm zur DMP-Qualifizierung.
(Bild: 3D Systems)

Abbildung 3 zeigt dazu das Flussdiagramm einer DMP-Qualifizierung. Der DMP-Qualifizierungsprozess, der der ASTM F3434 entspricht, basiert auf einem risikobasierten Ansatz und folgt einem phasengesteuerten Ablauf, der für eine qualifizierte Herstellung die Prozessvalidierung, die Anlagenvalidierung und die Produktvalidierung durchläuft.

Dieser Ansatz verbessert die Skalierbarkeit und ermöglicht Effizienzsteigerungen, da er den Bedarf an wiederholten Prozess- und Anlagenvalidierungen verringert. Eine Aufschlüsselung der drei Phasen im obigen Flussdiagramm zeigt den Stellenwert der einzelnen Phasen:

  • 1. Prozessvalidierung: Die DMP-Qualifizierung beginnt mit der Prozessvalidierung, bei der die Qualifizierung des DMP-Prozesses und des verarbeiteten Materials Hand in Hand gehen. Nach der Prozesscharakterisierung wird eine Betriebsqualifizierung/Prozessqualifizierung durchgeführt, welche die Fähigkeit des DMP-Prozesses nachweist. Die Prozessvalidierung legt die Akzeptanzkriterien für das Material hinsichtlich Chemie, Dichte, mechanische Eigenschaften oder Oberflächenrauigkeit fest.
  • 2. Validierung der Geräte: Die zweite Phase der DMP-Qualifizierung konzentriert sich auf die Validierung der Geräte – in diesem Fall die DMP-Maschine, und ist an die eineindeutige Seriennummer des Druckers gebunden. In dieser Phase wird eine Reihe von Testaufbauten durchgeführt, anhand derer die Robustheit und Zuverlässigkeit des Druckers bewertet werden.
  • 3. Produktspezifische Qualifizierung: Die letzte Phase der DMP-Qualifizierung konzentriert sich auf die produktspezifische Qualifizierung. In dieser Phase sind der Prozess und die Maschinen gemäß der Material- und Prozessstandards bereits qualifiziert. Darüber hinaus müssen die Form, Funktion und Leistung des Teils verifiziert beziehungsweise validiert werden. Die Sammlung und Auswertung von Daten von der Prozessentwicklung bis zur kommerziellen Produktion liefert den wissenschaftlichen Nachweis, dass ein Prozess in der Lage ist, durchgängig Qualitätsprodukte zu liefern.

Erfolgreiche Integration der additiven Fertigung in den Fertigungsablauf

Die Herstellung kritischer Teile erfordert in der Regel stark regulierte Prozesse. Wie bereits erwähnt, sind bei der Integration dieser Technologie Prozesscharakterisierung und -validierung die Voraussetzung für den Erfolg. Neben der Betrachtung von Materialien und Hardware muss zudem die Lieferkette qualifiziert und validiert werden. Die Sicherstellung eines logistischen Ökosystems für die zuverlässige Beschaffung derartiger neuer Materialien in der für Anwendungen im Gesundheitswesen erforderlichen Qualität kann ebenfalls eine anspruchsvolle Aufgabe sein.

Während die meisten Hersteller mit der ‚Fertigung‘ vertraut sind, profitiert die Einbindung der additiven Fertigung in den Arbeitsablauf von der Fachkenntnis eines erfahrenen Partners. Die Zusammenarbeit mit einem Spezialisten für additive Fertigungslösungen, der umfassende Anwendungskenntnisse mit verschiedenen Technologien und Materialien verbindet, ist für die Rationalisierung dieser Prozesse von unschätzbarem Wert.

* Martijn Vanloffelt ist Director bei der Application Innovation Group (AIG) von 3D Systems.

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