Bei der additiven Fertigung im Pulverbettverfahren werden Stoffe von einem Laser in der gewünschten Form geschmolzen.

Bild: TÜV Süd

Additive Fertigung Druckgeräte aus dem 3D-Drucker

10.11.2020

Die Konformität additiv gefertigter Bauteile mit den gesetzlichen Vorgaben nachzuweisen, ist mitunter eine Herausforderung. Denn Vorschriften wie die Druckgeräterichtlinie (DGRL) gehen noch immer von konventionellen Herstellungsverfahren aus und sind nicht ohne Weiteres übertragbar.

Die weltweite Pandemie hat zur Unterbrechung globaler Lieferketten geführt und der Industrie die Abhängigkeit von mitunter weit entfernten Produzenten deutlich gemacht. Vorteile hatten die Unternehmen, die bereits additive Fertigungsverfahren nutzen und damit die Möglichkeit hatten, Halbzeuge, Komponenten und Ersatzteile flexibel und kurzfristig vor Ort herzustellen. Sie mussten nicht auf notwendige Lieferungen warten und konnten ihre Produktion aufrechterhalten.

Die Vorteile der additiven Fertigung werden immer deutlicher: Statt große Lagerflächen mit Ersatzteilen bereitzuhalten, ist es ausreichend, wenn ein Unternehmen als Ausgangsmaterialien metallische Pulverlegierungen – zum Beispiel auf Aluminium- oder Titanbasis – oder gleich die entsprechende Edelstahllegierung vorrätig hat. Bei der additiven Fertigung im Pulverbettverfahren werden diese Stoffe von einem starken Laser Schicht für Schicht in der gewünschten Form geschmolzen, bis daraus schließlich das Bauteil entsteht.

Damit ist es auch möglich, sicherheitsrelevante Komponenten und drucktragende Teile wie Rohre herzustellen. Die gültigen Richtlinien zur Prüfung solcher Komponenten, wie die Druckgeräterichtlinie (DGRL), basieren allerdings noch immer auf der Grundlage konventioneller Verfahren. Auf die additive Fertigung sind sie nicht ohne Weiteres anwendbar.

Fehlende Erfahrungswerte

Einige Beispiele: Konventionell wird von genormten Werkstoffen ausgegangen, doch diese existieren in der additiven Fertigung nicht. Eine Pulvermischung kann nicht ohne Weiteres als genormter Werkstoff angesehen werden.

Zudem sieht die Druckgeräterichtlinie vor, dass die Festigkeitswerte von drucktragenden Teilen wie Pumpen und Rohren qualifiziert werden. In der Praxis sind jedoch kaum Daten vorhanden, die sich auf Produkte aus additiven Schmelzverfahren anwenden lassen. Viele Hersteller führen keine aussagekräftigen Statistiken über Abweichungen, mechanisch-technologische Kennwerte aus der Produktion oder Daten zu deren Verteilung im Bauraum.

Auch die Art der Bauteilprüfung ist noch nicht befriedigend geregelt. In der additiven Fertigung findet sie derzeit vor allem optisch statt, was aber bei drucktragenden Elementen aus Sicherheitsgründen nicht genügt. Häufig bleibt als einzige Möglichkeit die zerstörende Prüfung, die allerdings bei Unikaten nicht anwendbar ist.

Zerstörungsfreie Prüfverfahren wie die Durchstrahlungsprüfung oder die Schallemissionsprüfung sind mitunter nur eingeschränkt einsetzbar oder erfordern ein hohes Maß an Wissen und langjähriger Erfahrung vom jeweiligen Prüfingenieur.

Neues Zertifizierungsprogramm

Welche Möglichkeiten gibt es folglich, die Vorteile des 3D-Drucks vollständig zu nutzen und zugleich die geltenden Normen einzuhalten? Wie kann der Nachweis gelingen, dass die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie umgesetzt wurden? Als Antwort darauf hat TÜV Süd Industrie Service ein Zertifizierungsprogramm für Hersteller additiv gefertigter Halbzeuge und Werkstoffe entwickelt.

Als Grundlage dienten die Anforderungen, die in der europäischen Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) und der Norm EN 13445-4 „Unbefeuerte Druckbehälter – Teil 4: Herstellung“ definiert sind. Zudem ist die Erfahrung der Experten in den Bereichen Werkstoff- und Schweißtechnik entscheidend – im Unterschied zu vielen anderen Verfahren existieren bei gedruckten Komponenten noch keine festgelegten Grenzwerte, etwa was die zulässigen Hohlräume und Poren betrifft.

Erfahrungen und Best-Practice-Szenarien helfen dabei, zu beurteilen, ob Abweichungen und Unregelmäßigkeiten noch akzeptabel sind. Welche Genauigkeit bei der Prüfung ist notwendig, um Qualitätseinbußen zu verhindern? Welche Anforderungen an die Gerätekalibrierung ergibt sich hieraus? Diese Fragen sind im Prüfprogramm von TÜV Süd enthalten.

TÜV Süd Industrie Service hat das neue Zertifizierungsprogramm erfolgreich bei KSB am Standort Pegnitz umgesetzt. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Frankenthal und Standorten in aller Welt zählt zu den international führenden Produzenten, die mit der metallbasierten additiven Fertigung im Pulverbettverfahren arbeiten. Zu den wichtigsten Produkten zählen Pumpen und Armaturen zum Einsatz in der Gebäudetechnik, für Energiesysteme und bei der Wasserversorgung.

Prüfen von Prozessen und Materialien

Im Zertifizierungsprozess wurden sowohl die Produktion als auch das Personal und die Qualitätssicherung überprüft. Ziel war es, die Qualität der Prozesse und der hergestellten Halbzeuge zu beurteilen.

Zunächst mussten die nach ISO 9001 geforderten Basisqualifikationen nachgewiesen und der Bauraum der Maschinen qualifiziert werden. Bereits am Wareneingang wurde das Metallpulver analysiert, dem folgte die Überprüfung von Einrichtungen und Verfahren für die sachgemäße Herstellung und die Bewertung betriebseigener Prüfverfahren.

Weitere Teile des Audits bezogen sich auf die Strömungsverläufe des Prozessgases, verschiedene Pulveraufzugsmethoden und die Lasersysteme. Da KSB selbst ein akkreditiertes Werkstofflabor betreibt, wurden die zerstörungsfreien und zerstörenden Prüfungen im eigenen Haus vorgenommen.

Das Ergebnis: Die in additive Fertigung hergestellten Bauteile als Halbzeuge von KSB genügen den Anforderungen von Anhang I, Absatz 4.3 der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU. Um das Prüfsystem weiterzuentwickeln, zeichnet das Unternehmen kontinuierlich zahlreiche Analysedaten auf und wertet sie aus – etwa die chemische Zusammensetzung des Ausgangspulvers und der fertigen Prüfkörper, sowie die Ergebnisse mechanisch-technologischer Prüfungen von Proben und Bauteilen.

Bildergalerie

  • Im Pulverbettverfahren entsteht das Bauteil Schicht für Schicht. Überschüssiges Metallpulver lässt sich meist weiterverarbeiten.

    Bild: TÜV Süd

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