Entwicklung und Validierung einer automatisierten, dreidimensionalen Oberflächenanalyse zur Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Bauteilen

Additive Fertigungsverfahren bieten die Möglichkeit, individuelle Bauteile ab der Stückzahl eins wirtschaftlich herzustellen. Daher ist die aus der Serienfertigung bekannte Stichprobenprüfung zur Qualitätssicherung durch die fehlende Anzahl identischer Bauteile vielfach nicht anwendbar, sodass Einzelteilprüfungen gängige Praxis sind. Dabei ist der zeitliche Aufwand sowohl bei einer manuellen, individuellen Bauteilprüfung als auch bei der Programmierung einer Messstrategie bei einer potenziell automatisierten Qualitätskontrolle aufgrund einer starken Involvierung des menschlichen Benutzers sehr hoch. Die Dissertationsschrift beschreibt daher eine Methodik zur automatisierten Qualitätskontrolle von additiv gefertigten Bauteilen durch einen Industrieroboter. Auf der Basis der 3D CAD- und Produktionsprozessdaten erfolgt eine Identifizierung von potenziell kritischen Oberflächensegmenten zur Selektion für den Prüfprozess. Die auf diese Art selektierten Oberflächensegmente werden durch autarke Algorithmen in ein Roboterprogramm transferiert, das eine sichere und wegoptimierte Bauteilprüfung umsetzt. Eine Simulation des Prüfprozesses ermöglicht überdies eine erweiterte Kollisionskontrolle sowie eine Vorhersage der notwendigen Prüfzeit. Die daraus resultierenden Prüfkosten werden ebenfalls kalkuliert, um sie in Relation zu den Herstellungskosten der additiv gefertigten Bauteile zu setzen.

Die Durchführung des Prüfprozesses erfolgt mit einem am Industrieroboter angebrachten konfokalen Mikroskop, das eine dreidimensionale Oberflächentopographieanalyse ermöglicht. Der dreidimensionale Ansatz ist erforderlich, da der Einsatz des industriell etablierten zweidimensionalen Tastschnittverfahrens zur Charakterisierung von additiv gefertigten Oberflächen aufgrund ihres auto-isotropen Charakters in weiten Teilen stark limitiert ist. Der Begriff der Auto-Isotropie bei additiv gefertigten Oberflächen wird im Rahmen der Dissertationsschrift definiert. Es wird außerdem aufgezeigt, dass eine fundierte Analyse von auto-isotropen Oberflächen durch zweidimensionale Messprofile nicht zielführend ist. Im Gegensatz dazu bietet eine dreidimensionale Analyse aufgrund einer signifikant größeren Datenbasis eine realistischere Abbildung der wahren Oberflächentextur und somit eine höhere statistische Absicherung bei der Charakterisierung auto-isotroper Oberflächeneffekte. Die Dissertationsschrift befasst sich daher ausführlich mit dem Potenzial dreidimensionaler Oberflächenparameter hinsichtlich deren Anwendung im Bereich der additiven Fertigungsverfahren. Im Fokus der Analysen steht eine Korrelation zwischen der Oberflächenbeschaffenheit und den quasistatischen mechanischen Eigenschaften. Dabei sind es vor allem die Motiv- und Inselanalysen der dreidimensionalen Oberflächentexturen, die eine starke Korrelation zur Zugfestigkeit, zum E-Modul und zur Bruchdehnung aufweisen.