Pilotprojekt Additive Fertigung
Digitale Qualitätsinfrastruktur für die moderne Produktion
In der modernen Produktion ist die Additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Die Qualitätssicherung von Bauteilen gerade auch für sicherheitskritische Anwendungen stellt jedoch noch eine Herausforderung dar. Als ein vergleichsweise junges und datenintensives Fertigungsverfahren ist die Additive Fertigung ideal geeignet, die neuen Werkzeuge einer digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI) für die moderne Produktion zu erproben und weiterzuentwickeln. | |
| Um das Vertrauen in die Technologie zu stärken und diese am Markt zu etablieren, wird im Rahmen der Initiative an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) die Entwicklung einer digital gestützten Qualitätssicherung vorangetrieben. Gleichzeitig werden digitale Werkzeuge der QI (z.B. maschinenlesbare Normen und Prüfberichte) erprobt und die Einbettung in digitale Ökosysteme adressiert. |
Forschung und Entwicklung
Der Prozess für eine digitale QI wird im Reallabor und Forschungsbetrieb erprobt, in dem u.A. das Zusammenspiel von physischem Materialfluss und digitalem Datenfluss experimentell erforscht und beschrieben wird. In der Initiative werden die Werkzeuge einer digitalen QI weiter entwickelt und im Pilotprojekt Additive Fertigung anhand von SMART Standards und digitalen Prüfberichten umgesetzt.
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| Für die konventionelle Fertigung hat sich das bestehende System der Qualitätsinfrastruktur bewährt. Die Additive Fertigung vergrößert den gestalterischen Spielraum von möglichen Bauteilgeometrien und Prozessfehlern jedoch erheblich. Hier gerät die QI an ihre Grenzen, sodass die Fertigung und Zulassung sicherheitsrelevanter Bauteile sehr zeit- und kostenintensive Versuche erfordern. Eine moderne Digitale QI erlaubt eine effizientere Qualitätssicherung für additiv gefertigte Bauteile. Dies erfordert eine durchgängig digitale Abbildung des physischen Materialflusses. |
- Herstellungsprozesse liefern Unmengen an Daten (mehrere Terabyte / TB selbst für sehr kleine Bauteile)
- kein durchgängiger Datenfluss
- keine einheitlichen Datenformate
- Kompatibilitätsprobleme
- Aufwendige nachgelagerte Qualitätssicherung
- Fehlendes Prozess-Know-How
- Intransparente Dokumentation
- Kein geregelter digitaler Datenaustausch mit Stakeholdern (Datenauswahl, Zugriffsrechte, Authentifizierung etc.)
In jedem Prozessschritt des physischen Materialflusses wird eine erhebliche Menge an Daten erzeugt (pro Bauteil ein Speicherbedarf von mehreren TB). Außerdem sind die vorliegenden Daten in unterschiedlichen Formaten verfügbar, was die Auswertung erschwert, und es existiert kein einheitlicher Datenfluss entlang des gesamten Fertigungsprozesses. Zudem sind zahlreiche Normen und Standards noch nicht vorhanden oder befinden sich noch in der Entwicklungsphase.
Zur Bewältigung dieser Herausforderungen forschen wir an den folgenden Themen:
- Entwicklung neuer prozess-integrierter Qualitätssicherungsmaßnahmen (Prozess-Monitoring)
- Weiterentwicklung und Bewertung von zerstörungsfreien Prüfverfahren für eine nachgelagerte Qualitätssicherung
- Identifikation anlagenunabhängiger qualitätsrelevanter Parameter
- Neue digitale Methoden für die Bewertung von Prozess- und Messdaten
- Entwicklung von Algorithmen zur Datenreduktion
- Entwicklung einer universellen Struktur für den Datenaustausch
- Digitale Vernetzung aller Prozessschritte
- Entwicklung eines digitalen Prüfberichts
- Konzept Quality-X als Lösung für den geregelten digitalen Datenaustausch mit Stakeholdern
Mit unserer Arbeit tragen wir dazu bei, konkrete Lösungen für eine qualitätsgesicherte Additive Fertigung zu schaffen und diese besonders auch kleinen und mittelständischen Unternehmen zugänglich zu machen. So herrscht datenbasierte Gewissheit, ein bestimmtes Bauteil stets in wiederholbarer Qualität zu fertigen.
Die PTB untersucht die hybride additive Fertigung, die die Vorteile von additiven und konventionellen Fertigungsverfahren kombiniert. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Bauteile mit geometrischer Individualisierung, Funktionsintegration und effizienter Materialnutzung. Im Vergleich zu rein zerspanenden Verfahren reduziert die hybride additive Fertigung nicht nur die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte, sondern optimiert auch die Werkstoffausnutzung. Am Beispiel eines Demonstratorbauteils, einem Krümmersammler für den Automobilbereich, wird die Prozesskette erprobt und analysiert.
Der Beitrag untersucht die Anforderungen an die Integration additiv gefertigter Komponenten in hybride Systeme, wobei insbesondere die Bedürfnisse von kleinen und mittleren Unternehmen berücksichtigt werden. Die Analyse wird durch die Anwendung von Normen für die Prüfberichterstattung zur Qualitätskontrolle und Bauteilqualifizierung erweitert. Zudem werden von der PTB Empfehlungen für zu verwendende Messtechnik bei KMU gegeben.
Erleben Sie das Pilotprojekt Additive Fertigung
Wie können wir die Qualität additiv gefertigter Produkte sichern?
Das Video beschreibt den Weg zu einem vollständig digitalisierten Prozessmonitoring und deren Möglichkeiten für die Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung entlang der gesamten industriellen Fertigungskette: vom Pulver, über den Fertigungsprozess, bis zur Nachbearbeitung.
Roadmap 2030 für das Pilotprojekt Additive Fertigung
Digitalisierung & Qualität vereint – auf dem Weg zur smarten Produktion
In der Additiven Fertigung (AM) machen manuelle Dokumentation und Qualitätssicherung einen großen Teil der Stückkosten aus – in regulierten Branchen wie Luftfahrt oder Medizin sogar bis zu 80 %! Ziel ist es, durch Digitalisierung den Aufwand deutlich zu senken.
Mehr Details zur Use Case AM 2030 Roadmap hier:
NEWS
Neues AM-Forschungsprojekt von PTB und BAM bei der EUSPEN-Konferenz 2025 vorgestellt!
Hier gibt's mehr Infos: Neues AM-Kooperationsprojekt von BAM und PTB - QI Digital
Anbindung und Vernetzung
Das Pilotprojekt ist angebunden an die Initiative Digitale Standards (IDiS) der DKE, als Impulsgeber der digitalen Normung. Eingebettet in die IDiS-Pilotprojekte zur Entwicklung von SMART Standards soll das Wissen aus der Normung in Zukunft digital angewendet werden können.
Des Weiteren ist die BAM Mitglied im VDMA und der Arbeitsgruppe Additive Fertigung, die 2023 ihr Jahrestreffen an der BAM augerichtet hat, sowie dem Netzwerk MGA „mobility goes additive“ und strebt an, die Vernetzung von QI-Digital und Anbindung an das Reallabor weiter voranzutreiben.
Ein weiteres Beispiel für die Vernetzung von QI-Digital ist die Mitarbeit der BAM im nationalen DIN-Normenausschuss Werkstofftechnologie (NWT), konkret im NA 145-04-01 AA „AM-Querschnittsthemen und Digitalisierung“. Dadurch und initiiert aus dem Austausch über die Initiative QI-Digital, ist das Pilotprojekt aktiver Teil und sogar Lead in einem Expert*innenkreis zu dem Thema „Data Based Quality Assurance in AM“. Hier wird das Ziel verfolgt, Erkenntnisse aus dem Pilotprojekt in die Normung einfließen zu lassen und an der Erarbeitung von Normeninhalten mitzuwirken.
Der Transfer der Inhalte und die Positionierung von QI-Digital erweitern sich bei einer Einbringung von diesen Normen auf internationaler Ebene auch auf den internationalen Raum. Dies wird ermöglicht durch einen Austausch des Expert*innenkreises mit dem ISO/TC 261 Technical Committee Additive Manufacturing.
Zur Anbindung der digitalen Lösungen entwickelt die Initiative QI-Digital im QI-Cloud Projekt ein Konzept Quality-X, welches eine Lösung für den geregelten digitalen Datenaustausch mit Stakeholdern (Datenauswahl, Zugriffsrechte, Authentifizierung etc.) bieten soll.