3D-Druck: System soll gefährliche Druckfehler verhindern

Ingenieure und Materialwissenschaftler an der University of Arizona arbeiten mit Industriepartnern daran, mithilfe von künstlicher Intelligenz, maschinellem Lernen und einem ausgeklügelten Sensorsystem, das Wärmebild- und Hochgeschwindigkeitskameras umfasst, Fehlstellen in kritischen 3D-gedruckten Bauteilen, etwa für die Luftfahrt, ganz zu verhindern. Die US-Raumfahrtbehörde NASA finanziert die Entwicklung mit 750.000 Dollar.

Zwei Arten von Fehlern gilt es zu vermeiden, um per 3D-Druck einwandfreie Produkte herzustellen. Zum einen sind es Prozessfehler, also physikalische Unregelmäßigkeiten, die die Qualität beeinträchtigen können. Dazu gehört die mangelnde Haftung zwischen zwei Schichten beim 3D-Druck, der Bauteil Schicht für Schicht herstellt. Jede Schicht muss sich perfekt mit der darunter liegenden verbinden, sonst gibt es beispielsweise Risse und Fehlstellen im Material.

Die zweite Gruppe sind Materialfehler wie chemische Abweichungen oder falsche Anordnungen von Atomen, die nur mit höchstauflösenden Mikroskopen zu sehen sind. Diese können auftreten, wenn eine Schicht noch abkühlt, aber bereits eine weitere heiße Schicht darübergelegt wird. Das stört den Abkühlprozess der unteren Schicht und kann die Eigenschaften des Teils verändern. Metall wird womöglich spröde oder weniger belastbar. "Man kann sich vorstellen, wie gefährlich es wäre, wenn ein solches schadhaftes Teil in einem Düsentriebwerk oder einer Rakete verwendet würde", sagt der System- und Industrietechniker Mohammed Shafae.

Intelligente Bildauswertung

Um beiderlei Fehler zu verhindern, entwickeln Shafae und der Materialwissenschaftler und -techniker Andrew Wessman ein Modell, das unter Einbeziehung von Sensoren und einer intelligenten Bildauswertung Defekte in dem Augenblick erkennen kann, in dem sie auftreten. Dadurch kann der Maschinenführer Maßnahmen ergreifen, um den Fehler sofort auszubügeln oder den Druck abbrechen, wenn dies nicht gelingt. Das spart Material und Zeit. Es geht darum, gigantische Datenmengen extrem schnell zu verarbeiten, um Fehler praktisch in Echtzeit erkennen zu können.

Die additive Fertigung, wie der 3D-Druck auch genannt wird, ist attraktiv, weil nur so viel Material verbraucht wird, wie nötig ist. Bei der klassischen subtraktiven Fertigung wird das Bauteil dagegen aus einem massiven Block durch Fräsen, Bohren und Schleifen hergestellt. Aus diesem Grund gehen immer mehr Unternehmen dazu über, Bauteile durch additive Fertigung herzustellen, vor allem bei kleinen Stückzahlen. (pte)

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