Zertifizierte Additive Fertigung: Ohne Guss wie aus einem Guss

GIESSEREI PRAXIS 9-10/2021
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Auch sicherheitsrelevante druckbeaufschlagte Bauteile kann man additiv fertigen, doch der Qualitätsnachweis ist komplex. In einem Pilot-Audit hat sich ein Pumpen- und Halbzeug-Hersteller von TÜV Süd zertifizieren lassen.

Additive Technologien bringen mehr Freiheit und Flexibilität in der Fertigung und ermöglichen sogar Hinterschnitte oder ineinander verschachtelte Bauteile zu produzieren. Zudem handelt es sich um das schnellste Fertigungsverfahren für qualitativ hochwertige Einzelteile (vgl. Giesserei Praxis 10/2020).

Gerade während der Corona-Pandemie trägt die additive Fertigung dazu bei, Engpässe bei dringend benötigten Bau- und Ersatzteilen zügig zu beseitigen – beispielsweise bei unterbrochenen Lieferketten. Voraussetzung ist allerdings, dass die Qualität stimmt. Doch der Nachweis stellt die Zuständigen vor Herausforderungen. Denn die optische Prüfung allein reicht nicht aus und zerstörungsfreie Prüfungen sind bei komplexen Geometrien mitunter eine Herausforderung.

Zertifizierung nach Druckgeräterichtlinie (DGRL)
Die KSB SE & Co. KGA fertigt Pumpen und Armaturen als international führender Hersteller in Pegnitz. Zu ihren Kunden gehören Unternehmen aus der chemischen Industrie, der Wasserversorgung, dem Bergbau, und der Gebäudetechnik. Alle drei Maschinentypen, welche die KSB dort für die Herstellung drucktragender Bauteile einsetzt, sind für den metallischen Werkstoff Noribeam® 316L zertifiziert – die M2 Classic, der M2 Dual Laser von Concept Laser sowie der Vier-Laser-System M400-4 von EOS.

KSB stand vor der Herausforderung, nachweisen zu müssen, dass additiv gefertigte Bauteile den geltenden Normen und Richtlinien entsprechen und ebenso sicher sind, wie die aus konventioneller Fertigung. Besonders schwierig ist das, wenn zuverlässige Daten zu werkstofftechnischen Produktparametern fehlen – ob mechanisch-technologische Kennwerte aus der Fertigung, zulässige Abweichungen von den Soll-Werten oder Daten zu Unterschieden im Bauraum der eingesetzten 3D-Metalldrucker. Druckgerät und Baugruppen, die innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden sollen, müssen den Anforderungen der Druckgeräterichtlinie (DGRL) entsprechen.

Qualitätsmanagement auf dem Prüfstand
Aus diesem Grund hat sich KSB einem Audit durch eine unabhängige Stelle unterzogen. Unter anderem begutachteten die Prüfer von TÜV Süd Industrie Service grundlegende Qualifikationen wie ein Qualitätsmanagement nach ISO 9001 und analysierten die angewandten Fertigungs- und firmeneigenen Prüfverfahren. Auch die Qualifizierung des Bauraums sowie die Bewertung des Prüflabors und die Qualifikation der Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen waren Teil der Untersuchung. Das Ergebnis der Prüfenden: Die additive Fertigung des Unternehmens ist konform zur DGRL und erfüllt die Anforderungen an Werkstoffhersteller für additiv gefertigte Bauteile als Halbzeug.

Das neue, von TÜV Süd entwickelte und angewandte Zertifizierungsprogramm, basiert auf den Sicherheitsanforderungen der DGRL. Besonders Anhang I, Abschnitt 4 ist hier relevant. Er stellt Anforderungen an den verwendeten Werkstoff. Anspruchsvoll sind auch der Nachweis der Rückverfolgbarkeit des eingesetzten Metallpulvers sowie die Vorschrift der DGRL, dass nur qualifiziertes Personal eingesetzt werden darf – entlang der gesamten Prozesskette. Die DIN/TS 17026 definiert darüber hinaus seit Oktober zusätzliche Anforderungen an additiv gefertigte Druckgeräte (unbefeuerte Druckbehälter) und deren Bauteile.

Auch weitere Normen und Regelwerke, die für Druckbehälter relevant sind, hat TÜV Süd bei der Zertifizierung einbezogen. Eine davon ist die EN 13445-4 „Unbefeuerte Druckbehälter – Teil 4: Herstellung“. Allerdings beschreibt sie nur konventionelle Fertigungsverfahren, weswegen die Prüfer auf ihre langjährige Erfahrung mit Werkstoffen und Schweißtechnik sowie Best-Practice-Szenarien zurückgreifen mussten. Auch weil der Werkstoff erst während des selektiven Laserschmelzens entsteht, sind die Vorgaben der EN 13445-4 nur schwer auf additive Verfahren übertragbar.

Maschinen-Bauräume qualifizieren
Zu den anspruchsvollsten Aufgaben des Zertifizierungsprozesses gehört die Beurteilung der 3D-Metalldrucker. Denn keine Maschine ist wie die andere. Wenn Hersteller additiv gefertigter Bauteile unterschiedliche 3D-Drucksysteme einsetzen, müssen sie die Risiken für jeden einzelnen Maschinentyp in einer umfangreichen Auswirkungsanalyse abklären. Für den Aufbau einer Qualitätssicherung, welche die spezifischen Merkmale der Maschinen und Prozesse berücksichtigt, bildet diese Untersuchung das Fundament.

Dabei steht die Bauraumqualifizierung im Mittelpunkt. Analysiert werden u. a. die unterschiedlichen Pulveraufzugsmethoden und Lasersysteme und die Strömungsverläufe der Prozessgase. Die Resultate werden gespeichert und statistisch ausgewertet. Sowohl zerstörende als auch zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden eignen sich zur Beurteilung der Produkte im Rahmen einer kontinuierlichen Qualitätsanalyse.

Erfassen, definieren, kalibrieren
Vom Wareneingang und der Prüfung des Pulvers über kontinuierliche, produktbegleitende Prüfungen im akkreditierten Prüflabor – eine Zertifizierung weist nach, dass die Qualitätssicherung die gesamte Prozesskette beinhaltet. Die Ergebnisse in Form der ermittelten Daten aus den Prüfproben fließen in die statistische Auswertung ein. Die mechanisch-technologischen Kennwerte der Prüfkörper, die chemische und morphologische Zusammensetzung des Ausgangspulvers und die Werte der untersuchten Bauteile sind so lückenlos nachzuverfolgen.

Die Parameter für den Fertigungsprozess und das Pulver werden nach erfolgreicher Herstellung festgeschrieben und dann für nachfolgende Produktionen ähnlicher Bauteile verwendet. Auf dieser Basis sind auch die Anforderungen an Lieferanten und ihre Pulver sinnvoll festzuschreiben. Das ist grundlegend für die Sicherung einer konstanten Qualität der Produkte. Die Verteilung der Partikelgröße und die Struktur des Pulvers sind u. a. wichtige Bestandteile der statistischen Daten. Sowohl Hersteller als auch Lieferanten müssen über geeignete Analysemöglichkeiten verfügen, die zu vergleichbaren Ergebnissen führen. Nur so können Abweichungen von den Spezifikationen exakt bestimmt werden.

Allerdings ist in der Praxis die Analyse von Ausgangsstoffen und Produkten meist herausfordernd. Denn es existieren keine Prüfnormale für die Kalibrierung der Messgeräte. In diesen Fällen kann es sinnvoll sein, um Messunsicherheiten zu quantifizieren, geeignete Referenzproben aufzubauen und Messverfahren zu definieren.

Zusammenfassung
Aufgrund der Druckgeräterichtlinie stehen die Festigkeitswerte im Vordergrund, die durch eine Verfahrensprüfung qualifiziert werden müssen. Die Übereinstimmung der additiv gefertigten Produkte mit den geltenden gesetzlichen Vorgaben nachzuweisen, kann herausfordernd sein. Mitunter fehlen beispielsweise aussagefähige Statistiken über Abweichungen in den mechanisch-technologischen Kennwerten, die sich bei der Fertigung ergeben können. Vor allem bei Sicherheitsbauteilen ist aber die Frage zu klären: Wo befindet sich der schwächste Punkt des Bauraums?

Das neue Zertifizierungsprogramm von TÜV Süd berücksichtigt neben den allgemeinen Sicherheitsanforderungen der europäischen Druckgeräterichtlinie (2014/68/EU) die sinngemäße Anwendung der EN 13445-4, Abschnitt 3.1. Zudem sind die Erfahrungen der Experten aus den Bereichen Werkstoffe und Schweißtechnik eingeflossen. So konnten häufige Problemstellen aufgedeckt und Best-Practice-Szenarien entworfen werden. Auf diese Weise schafft das Programm eine zuverlässige Basis, um die Qualität der Prozesse der additiven Fertigung von Druckgeräten zu bewerten und zu zertifizieren. Darüber hinaus sorgt es für Vertrauen bei Vertragspartnern und kann den Herstellern so wichtige Wettbewerbsvorteile eröffnen. Die KSB SE & Co. KGaA konnte im Pilot-Audit zeigen, dass ihre Fertigung konform zur DGRL ist und die Anforderungen an Werkstoffhersteller für additiv gefertigte Bauteile als Halbzeug erfüllt.