Wie man Geschwindigkeit, Genauigkeit und Qualität in der Additiven Fertigung verbessert
Von Rafael Hasbun,
Senior Field Application Engineer, FARO Technologies
Die additive Fertigung, bei der Schicht für Schicht Materialien hinzugefügt werden, um ein komplettes Produkt herzustellen, spart Herstellern Zeit und Geld. Es überrascht daher nicht, dass der Markt für additive Fertigung angesichts der Tatsache, dass die Hersteller bei der Entwicklung neuer Produkte mit Budget- und Zeitbeschränkungen zu kämpfen haben, ein signifikantes Wachstum zu erwarten hat.
Dies geht aus einem aktuellen Bericht von Reportlinker.com hervor. Der Bericht „Globaler Markt für additive Fertigung: Größe, Anteil & Industrietrends, Analysebericht nach Druckermodell, nach Technologie, nach Komponente, nach Anwendungen, nach Material, nach Vertikal, nach regionalem Ausblick und Prognosen für die Jahre 2022–2028“ besagt, dass der globale Markt für additive Fertigung während des prognostizierten Zeitraums eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 18,9 % aufweisen und bis zum Jahr 2028 auf 44,6 Mrd. USD ansteigen wird, ausgehend von seiner derzeitigen Größe von etwa 14 Mrd. USD. Das Wachstum wird voraussichtlich durch die Nachfrage in den Märkten Automobil, Luft- und Raumfahrt sowie Gesundheitswesen angetrieben, die additive Fertigungsverfahren nutzen, um das Prototyping von Teilen zu beschleunigen.
Was ist Additive Fertigung?
Bei der additiven Fertigung werden in der Regel CAD-Software (Computer-Aided-Design) oder 3D-Objektscanner und hochentwickelte Software eingesetzt, um Hardware wie 3D-Drucker so zu steuern, dass sie Material Schicht für Schicht in präzisen geometrischen Formen auftragen, um ein Objekt zu erzeugen, anstatt herkömmliche subtraktive Verfahren zu verwenden, bei denen Material durch Fräsen, Bearbeiten, Schnitzen oder Formen abgetragen wird, um ein Objekt herzustellen. Der Prozess der additiven Fertigung ermöglicht es Herstellern, Teile als Einzelstück zu drucken, wodurch der Materialausschuss reduziert wird und Zeit und Kosten beim Prototyping und Reverse Engineering von Teilen gespart werden.
Die Rolle von 3D-Laserscannern in der Additiven Fertigung
Immer mehr 3D-Laserscanner werden als erster Schritt in der additiven Fertigung eingesetzt, weil sie den Produktentwicklungsprozess weiter beschleunigen. 3D-Scanner können die Maße, Merkmale und Details, die für die Herstellung eines Teils benötigt werden, in nur wenigen Minuten scannen, wohingegen es Stunden dauern kann, nur die einfachsten physischen Abmessungen eines Teils mit herkömmlichen Messmethoden wie Messschiebern und Koordinatenmessgeräten (KMG) zu erfassen. Die detaillierten 3D-Scans werden dann an eine ausgeklügelte Computersoftware gesendet, die die gesammelten Daten verwendet, um ein virtuelles 3D-Modell für den Druck zu erstellen.
3D-Scanner bieten nicht nur schnellere und detailliertere Messungen, sie erhöhen auch die Genauigkeit aufgrund der hohen Auflösung der Daten und reduzieren menschliche Fehler, die mit herkömmlichen Messmethoden verbunden sind, wodurch die Qualitätskontrolle des Erstmusters gewährleistet wird. 3D-Scannen kann auch verwendet werden, um Fehler an Teilen zu überprüfen und zu diagnostizieren, die über ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wurden. Ein 3D-gedrucktes Teil kann unter Stress in der Umgebung getestet werden, in der es verwendet werden soll. Im Anschluss an diese Tests können 3D-Laserscanner eingesetzt werden, um Verformungen oder kritische Fehlerstellen im Teil zu finden und zu diagnostizieren, um die Produktqualität weiter zu gewährleisten und nachfolgende Produktiterationen zu beschleunigen.
Auch bei der Erfassung von Objekten mit vorgeformten Oberflächen, komplexen Krümmungen oder strukturierten Oberflächen ist das 3D-Scannen den herkömmlichen Messmethoden überlegen, da diese Arten von Merkmalen mit herkömmlichen Tools nur schwer zu messen sind. 3D-Scannen stellt sich auch der Herausforderung des Reverse Engineering, das in der Automobilindustrie häufig zur Herstellung kundenspezifischer oder nicht mehr erhältlicher Teile eingesetzt wird. Das Reverse Engineering eines physischen Objekts für die additive Fertigung erfordert eine genaue Messung der Höhe, Breite, Tiefe, des Durchmessers und des Umfangs des Teils sowie komplexer Informationen wie Radius und Textur bestimmter Merkmale. Beim 3D-Scannen werden effizient und präzise alle Daten erfasst, die mit den Oberflächen, Details und komplexen Eigenschaften eines Teils zusammenhängen, sodass genaue und detaillierte Daten für die additive Fertigung an den Drucker gesendet werden können.
Verbesserte Scantechnologien meistern Herausforderungen bei der Additiven Fertigung
Trotz der zahlreichen Vorteile, die der Einsatz von 3D-Scans im additiven Fertigungsprozess mit sich bringt, sind auch einige Herausforderungen zu bewältigen, z. B. das Scannen großer und schwerer Teile. In Anbetracht des Problems bieten einige neuere Technologien, wie das tragbare Koordinatenmessgerät Quantum Max FaroArm ®, eine größere Reichweite, um eine komfortablere Artikulation für eine bessere Ausdehnung über und um große Objekte herum zu ermöglichen. In Kombination mit dem FARO® 8-Axis Max Rotary Worktable, einer modularen Komponente, die mit jedem FaroArm verwendet werden kann, entfällt die Notwendigkeit, das Scangerät umzustellen oder neu zu positionieren. Bisher mussten Techniker ein großes Teil abschnittsweise scannen und dann den Scanner zum nächsten Abschnitt bewegen. Diese Bewegung führte unter Umständen zu ungenauen Daten. Mit dem drehbaren Arbeitstisch kann das Teil jedoch auf dem Tisch befestigt werden, der sich wie ein Lazy Susan dreht, so dass das Teil erfasst werden kann, ohne den Scanner zu bewegen, wodurch Fehler vermieden werden und eine hohe Präzision der Daten erreicht wird.
Eine weitere Herausforderung bei herkömmlichen 3D-Scannern besteht darin, dass sie oft Schwierigkeiten haben, dunkle, glänzende oder spiegelnde Teile zu scannen. In diesen Fällen besprühen Techniker das Teil normalerweise mit Pulver, um ein mattes Finish und einen genauen Scan zu erzielen. Dies könnte jedoch aufgrund der Einführung der optisch überlegenen Blue-Laser-Technologie der Vergangenheit angehören. Der Quantum Max ScanArm von FARO, das fortschrittlichste tragbare Messwerkzeug mit drei speziell angefertigten, Hot-Swap-fähigen Laser Line Probes (LLPs), bietet Funktionen wie Rapid Prototyping, Reverse Engineering und 3D-Modellierung von Freiformflächen. Die Blue-Laser-Technologie ermöglicht das Scannen anspruchsvoller Oberflächen, einschließlich solcher, die dunkel oder reflektierend sind, was den Prozess vereinfacht und die Genauigkeit beim Scannen dieser Objekte vor additiven Fertigungsanwendungen erhöht.
Eine weitere Herausforderung für die Hersteller von Additiven war die komplexe Software, mit der Scans für den Druck konvertiert wurden. Doch heute werden selbst die anspruchsvollsten Softwareprogramme immer benutzerfreundlicher. Mit der FARO RevenG ™ Software können Benutzer beispielsweise Netze genauer erfassen und einfacher bearbeiten, um Modelle für den 3D-Druck zu erstellen. Durch die Verwendung der Software in Kombination mit 3D-Scan-Produkten können Daten, die von hochauflösenden Farbpunktwolken bis hin zu einfachen Netzen reichen, in detaillierte Netze umgewandelt werden, was mehr Einblick in Design und Komposition sowie eine visuelle Differenzierung zwischen Materialien und Texturen bietet. Die intuitive Benutzeroberfläche zeigt visuell alle Werkzeuge auf einem einzigen Bildschirm an und ermöglicht so eine einfache Manipulation und Anpassung des 3D-Objekts an spezifische Designanforderungen, was die Workflow-Produktivität beim Reverse Engineering in additiven Fertigungsanwendungen weiter erhöht.
Fazit
Kürzlich kooperierte Adam LZ, YouTuber und Motorsportler, mit FARO und dem Softwareanbieter Oqton, um mithilfe der 3D-Scantechnologie von FARO, der Software Geomagic Design X von Oqton und additiver Fertigung ein maßgeschneidertes Teil für einen Rennwagen herzustellen. Anfangs enthielt das Armaturenbrett des Autos eine Navigationskonsole, die entfernt werden musste, weil sie das Fahrzeug unnötig belastete. Ziel des Projekts war es, in kürzester Zeit ein maßgeschneidertes, leichtes Teil zu entwickeln, das die nach dem Ausbau des Navigationssystems verbleibende Aussparung im Armaturenbrett ordnungsgemäß ausfüllen würde.
Zuerst wurde das Armaturenbrett, einschließlich der Navigationskonsole, aus dem Fahrzeug entfernt und auf dem 8-Axis Max platziert, wo es trotz seiner Größe problemlos mit dem FARO ScanArm gescannt werden konnte. „Durch die Befestigung des Armaturenbretts am 8-Axis Max und dessen Drehung wurde der Arbeitsaufwand verringert und die Scangenauigkeit erhöht, da wir das Teil oder den Scanner nicht manipulieren oder bewegen mussten“, so Will Pitarello, Senior Application Engineer bei FARO. „Weniger Bewegung bedeutet mehr Genauigkeit und reduziert die Variablen, die zu Fehlern bei der Datenerfassung führen könnten.“?
Durch das Scannen des gesamten Armaturenbretts konnten Designer erkennen, wo sich das Navigationssystem in dem Stück befand. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen war, wurde die Navigationskonsole entfernt und gescannt, um einen Einblick in die Form der Konsole selbst zu erhalten, ebenso wie die Metallclips, mit denen sie sicher im Armaturenbrett befestigt war. Ein dritter Scan wurde von dem im Armaturenbrett verbliebenen Hohlraum angefertigt, um die Geometrie unter dem Hohlraum, einschließlich der Befestigungspunkte, nachzuvollziehen, damit das neu erstellte Teil in den Hohlraum eingepasst und ordnungsgemäß an den vorhandenen Halterungen befestigt werden konnte. „Es war wichtig, das gesamte Armaturenbrett und die Navigationskonsole selbst zu scannen, ebenso wie die durch den Ausbau des Navigationssystems entstandene Aussparung und die Geometrie darunter, damit das neue, maßgeschneiderte Teil nicht nur den Bereich abdeckt, sondern auch ordnungsgemäß an den vorhandenen Befestigungspunkten angebracht werden konnte“, so Greg George, Application Engineer Manager bei Oqton.
Die drei Scans wurden dann unter Verwendung der Software Geomagic Design X zusammengeführt, um ein 3D-Modell zu erstellen, das verwendet wurde, um ein Teil sehr schnell durch additive Fertigung herzustellen. Dank der hohen Präzision des Scans, der die Geometrien des Hohlraums, die Oberflächentexturen des Armaturenbretts, die Befestigungspunkte und alle anderen erforderlichen Merkmale enthielt, und dank des raschen Tempos bei der additiven Fertigung konnte ein passgenaues Teil konstruiert und am nächsten Tag hergestellt werden, das der lederähnlichen Oberflächentextur des ursprünglichen Armaturenbretts entsprach und an den vorhandenen Clips befestigt wurde.
„Das Schöne ist, dass Sie mit der additiven Fertigung in der Lage sind, schnell ein Teil herzustellen. Sobald das Teil dann verfügbar ist, können Sie feststellen, ob es die richtige Passform und das richtige Gewicht hat“, so George. „Sollte es einmal zu schwer sein oder nicht passen, kann man es mit denselben Technologien sehr schnell überarbeiten und ein anderes Teil herstellen, das besser passt oder weniger wiegt.“
Es liegt auf der Hand, dass die heutigen 3D-Laserscanning-Technologien und benutzerfreundlichen Softwarepakete innovativen Herstellern von additiven Verfahren helfen, ihre Arbeitsabläufe zu beschleunigen und gleichzeitig die Genauigkeit und Qualität der produzierten Teile zu gewährleisten, wodurch sie rentabler und effizienter werden als je zuvor.