Vollautomatisierte Additive Fertigung mit DED-Verfahren für die automobile Serienproduktion (AdDEDValue); Teilvorhabenbezeichnung: Automatisierte Qualitätskontrolle

Abstract

Die zentrale Zielstellung von AdDEDValue war es, die DED-Verfahren (Directed Energy Deposition) für einen nutzbringenden Einsatz beispielsweise in der Fahrzeugindustrie weiterzuentwickeln. DED-Verfahren lassen sich einteilen in das Laserauftragsschweißen mit Pulver oder Draht (engl. LMD: Laser Metal Deposition) sowie in draht- und lichtbogenbasierte Verfahren (engl. WAAM: Wire and Arc Additive Manufacturing). Das Konsortium war durch seine Zusammensetzung mit umfangreichen Kompetenzen und breitem Domänenwissen aufgestellt und konnte dadurch Forschungsschwerpunkte auf verschiedenen Betrachtungsebenen für eine umfassende Bearbeitung des Projekts setzen. Im Teilvorhaben der Automation W+R GmbH lagen der Schwerpunkt auf der Entwicklung von automatisierten, optischen Qualitätskontrollsystemen für Bauteile, die mit DED-Verfahren hergestellt bzw. veredelt werden können. Zunächst wurden mit den Konsortialpartnern in einer umfangreichen Anforderungs- und Bauteilanalyse Szenarien entwickelt, für die eine automatisierte optische Qualitätskontrolle den größten Nutzen liefert: Prüfung von Beschichtungen am Beispiel von Bremsscheiben: Zusammen mit dem Konsortialpartner VW, der im Projekt den Beschichtungsprozess von Bremsscheiben mittels LMD Pulververfahren erforschte, wurde eine optische Oberflächenprüftechnik spezifiziert und nach erfolgreicher Vorentwicklung in der ersten Projekthälfte in einer Beschichtungsanlage des Partners installiert. Das System wurde dann in der zweiten Projekthälfte vom Partner genutzt, um 3D Profildaten der gefertigten Grund- und Reibschichten aufzuzeichnen. Mit diesen Daten als Ausgangsbasis konnten Auswertealgorithmen entwickelt werden, um Schichtfehler zu lokalisieren und um qualitätsrelevante, geometrische Eigenschaften wie beispielsweise die Schichtdicke zu ermitteln. Die Auswertung der Profildaten erfolgte zunächst offline bei uns im Haus. Bis zum Projektende konnte das System so weit verbessert werden, dass die Auswertung automatisch direkt nach einem Beschichtungsprozess durchgeführt werden konnte. Damit konnte die Machbarkeit einer möglichen späteren Nutzung des Systems in einer Serienanlage prototypisch demonstriert werden. Prüfung von nachgedruckten Features: Eine optische Qualitätsprüfung macht im Kontext von DED-Verfahren dann Sinn, wenn große Teile der gefertigten Kontur nicht durch eine Schleif- oder Fräsoperation nachgearbeitet werden muss, die Oberfläche also nicht verändert wird. Als ein mögliches Produktionsszenario wurde das nachträgliche Drucken von Features auf ein ansonsten konventionell gefertigtes Bauteil zum Zwecke der Variantenerzeugung oder zur Veredelung identifiziert. Exemplarisch wurden hierzu vom Partner Automation Technology Versteifungsrippen mittels eines drahtbasierten DED-Verfahrens auf ein U-Profil appliziert und eine von Siemens mittels WAAM gedruckte Konsole untersucht. Zur Erfassung der Konturdaten für diese Bauteile wurde das für das Beschichtungsszenario entwickelte Sensorsystem verwendet. Bei der Datenauswertung zeigte sich allerdings die Schwierigkeit, auf den äußerst unregelmäßigen Seitenwandstrukturen Oberflächenfehler algorithmisch zu identifizieren. Um dieses Problem zu adressieren, wurden die Auswertealgorithmen weiterentwickelt. Hierzu wurde auch ein externer Forschungspartner im Rahmen eines Unterauftrags eingebunden. Mit den entwickelten Ansätzen konnten Fehler deutlich robuster aus den Rohdaten extrahiert werden. Allerdings ist der Parametrieraufwand im derzeitigen Entwicklungsstand noch sehr hoch, sodass die Nutzung eines automatischen Prüfsystems für solche Szenarien eher bei größeren Serien wirtschaftlich darstellbar sein wird. Es konnten im Verlauf des Teilprojekts wesentliche Erkenntnisse über die technischen Besonderheiten der DED-Verfahren, ihre Einsatzmöglichkeiten und -grenzen, das mögliche Bauteilspektrum und die Qualitätsanforderungen gewonnen werden. Dies und die prototypische Entwicklung von Qualitätskontrollsystemen für die genannten Szenarien ermöglichen es darauf aufbauend in der Zukunft Prüfanlagen für Bauteile aus dieser Domäne zu entwickeln und am Markt anzubieten.