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In der Schwerindustrie, beispielsweise in den Bereichen Energie, Schifffahrt, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, ist die strukturelle Integrität der gefertigten Bauteile von entscheidender Bedeutung. Die additive Fertigung mittels Lichtbogen-Drahtschmelzverfahren hat sich als führende Lösung für die Herstellung von Bauteilen mit einer Größe von mehreren Metern etabliert, doch die Inbetriebnahme dieser großformatigen Teile erfordert einen eindeutigen Qualitätsnachweis. Volumetrische Defekte, Oberflächenrisse und innere Anomalien können die Funktionsfähigkeit eines Bauteils unter hohen Belastungen beeinträchtigen.
Die zerstörungsfreie Prüfung ist der wichtigste Ansatz zur Qualifizierung dieser Teile, da sie die Einhaltung internationaler Fertigungsnormen gewährleistet, ohne das Bauteil selbst zu verändern oder zu beschädigen. Dieser Leitfaden beleuchtet die besonderen Herausforderungen bei der Prüfung von Metalldrucken auf Drahtbasis, bewertet die wichtigsten Prüfverfahren und schafft einen Rahmen für die Durchführung strenger Prüfabläufe.
Die Herausforderung bei der Prüfung von WAAM-Rohgeometrien
Die Prüfung von Bauteilen, die mittels robotergestützter Draht-Lichtbogen-Auftragschweißung hergestellt wurden, bringt metallurgische und geometrische Variablen mit sich, die beim herkömmlichen Gießen, Schmieden oder bei der subtraktiven Fertigung nicht auftreten. Das Verständnis dieser Herausforderungen ist für die Wahl der richtigen Prüfstrategie von entscheidender Bedeutung.
Oberflächentopologie und Welligkeit
Die raue, direkt nach dem Schweißen vorliegende Oberfläche eines Lichtbogenschweißteils besteht aus sich überlappenden Schweißnähten. Diese charakteristische Oberflächenwelligkeit stellt ein großes Hindernis für herkömmliche Kontaktprüfverfahren dar. Ultraschallwandler beispielsweise benötigen eine ebene Oberfläche, um eine ordnungsgemäße akustische Kopplung zu gewährleisten. Raue Oberflächen streuen die Schallenergie und verzerren die Signale, was zu Fehlalarmen führen oder tiefliegende innere Fehler vollständig verdecken kann.
Anisotrope Kornstrukturen
Der schichtweise thermische Ablagerungszyklus erzeugt eine hochkomplexe Mikrostruktur. Da nachfolgende Schichten auf bereits vorhandene Bahnen aufgeschmolzen werden, durchläuft das Metall eine gerichtete Erstarrung, was zur Bildung großer, anisotroper, säulenförmiger dendritischer Körner führt. Bei Edelstahl, Duplexstahl und Nickellegierungen verursachen diese großen Körner eine hohe akustische Dämpfung. Wenn Schallwellen durch das Material wandern, werden sie an den Korngrenzen gestreut – ein Phänomen, das als Rayleigh-Streuung bekannt ist. Dies verringert den Signal-Rausch-Abstand bei der Ultraschallprüfung drastisch.
Fehlerklassifizierungen, die speziell für Drahtvorschubsysteme gelten
Techniker müssen auf bestimmte Fehlerbilder achten, die sich von denen bei Pulverbettverfahren unterscheiden. Zu den volumetrischen Fehlern zählen kugelförmige Gasporen aufgrund von verunreinigtem Schutzgas, durchlaufende Schweißnahtlücken zwischen benachbarten Schweißraupen sowie Zwischenlagerrisse, die durch übermäßige Wärmeansammlung verursacht werden. Lineare Fehler wie Erstarrungsrisse oder Delaminationen entlang der Schichtgrenzen können ebenfalls auftreten, wenn die Prozessparameter abweichen.
Primäre zerstörungsfreie Prüfverfahren für den großformatigen 3D-Metalldruck
Eine solide Qualifizierungsstrategie stützt sich in der Regel auf eine Kombination sich ergänzender zerstörungsfreier Prüfverfahren. Jedes Verfahren bietet spezifische Möglichkeiten, je nachdem, ob sich das Bauteil im Rohzustand, im gedruckten Zustand oder nach der Endbearbeitung befindet.
Sichtprüfung
Die visuelle Prüfung dient als erste Kontrollinstanz und findet sowohl während des automatisierten Druckvorgangs als auch nach dessen Abschluss statt. Die Techniker suchen nach offensichtlichen Oberflächenfehlern wie Hinterschneidungen, sichtbaren Rissen zwischen den Druckdurchläufen, Oberflächenporosität und starken geometrischen Verzerrungen. Moderne automatisierte Systeme verfügen häufig über integrierte optische Sensoren oder hochauflösende Kameras, um eine visuelle Inline-Prüfung durchzuführen und geometrische Abweichungen zu erfassen, bevor die nächste Schicht aufgebracht wird.
Phased-Array-Ultraschallprüfung
Die Phased-Array-Ultraschallprüfung gilt als Goldstandard für die Erkennung innerer, volumetrischer Fehler in Bauteilen mit dickwandigen Profilen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einzelelement-Schallköpfen nutzen Phased-Array-Systeme eine Anordnung aus mehreren kleinen Elementen. Durch die elektronische Steuerung des Impulsablaufs können Ingenieure den Schallstrahl durch das Material lenken, fokussieren und abtasten, ohne die Sonde physisch zu bewegen.
Dank dieser Mehrwinkel-Abtastfunktion kann die Schallenergie die groben, säulenförmigen Kornstrukturen des Schweißmetalls umgehen, wodurch Streuungen minimiert werden und ein klares Querschnittsbild von innerer Lötfehlstellen oder tiefen Porositäten entsteht.
Röntgenuntersuchung
Bei der Röntgenprüfung werden Röntgen- oder Gammastrahlen eingesetzt, um das Bauteil zu durchdringen und ein Bild der inneren Struktur auf einen digitalen Detektor oder einen Film zu projizieren. Da die Röntgenprüfung auf Dichteunterschieden basiert, eignet sie sich hervorragend zur Erkennung von Hohlräumen, kugelförmigen Gasporen und Fremdeinschlüssen.
Die größte Einschränkung der Röntgentechnik bei der großtechnischen additiven Fertigung ist die Bauteilgeometrie. Bei hochkomplexen oder geschlossenen mehrachsigen Geometrien kann es physikalisch unmöglich sein, die Strahlungsquelle und den Film korrekt zu positionieren. Zudem erfordern die bei schweren Industriekomponenten üblichen massiven Wandstärken Hochenergiequellen, was den Sicherheitsaufwand erhöht.
Flüssigkeits- und Magnetpulverprüfung
Diese Verfahren zur Oberflächenprüfung sind äußerst effektiv, erfordern jedoch in der Regel eine Vorbehandlung oder Bearbeitung des Bauteils. Bei der Eindringprüfung wird eine Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgetragen, die durch Kapillarwirkung in Risse eindringt; anschließend wird ein Entwickler aufgetragen, um die Fehler sichtbar zu machen.
Bei der Magnetpulverprüfung wird in ferromagnetischen Werkstoffen wie Kohlenstoffstählen und Duplex-Edelstählen ein Magnetfeld erzeugt, wobei Eisenpartikel eingesetzt werden, um durch oberflächenbrechende Risse verursachte Magnetfeldleckagen sichtbar zu machen. Beide Verfahren sind von unschätzbarem Wert für die Überprüfung der Unversehrtheit kritischer Schweißnahtfüße und endbearbeiteter Oberflächen.
Wirbelstromprüfung
Bei der Wirbelstromprüfung werden elektromagnetische Induktion genutzt, um Oberflächen- und oberflächennahe Fehler in leitfähigen Metallen zu erkennen. Eine mit Wechselstrom gespeiste Spule erzeugt im Werkstück ein lokales Magnetfeld, wodurch Wirbelströme entstehen. Unregelmäßigkeiten wie Risse oder Hohlräume unterbrechen den Fluss dieser Ströme und verändern so die elektrische Impedanz der Spule. Die Wirbelstromprüfung ist äußerst empfindlich und bietet einen entscheidenden Vorteil: Sie ermöglicht die Prüfung von Bauteilen durch dünne Lackschichten oder nichtleitende Schutzbeschichtungen hindurch, wodurch eine aggressive chemische Reinigung entfällt.
Umfassender Vergleich von zerstörungsfreien Prüfverfahren
Bei der Auswahl des optimalen Prüfverfahrens müssen die technischen Möglichkeiten gegen den Zustand des Materials, die Kosten und die physische Zugänglichkeit abgewogen werden. Die folgende Tabelle bietet einen direkten technischen Vergleich der wichtigsten Optionen.
| Prüfverfahren | Zielfehlerzone | Optimaler Materialzustand | Materialverträglichkeit | Hauptvorteil | Hauptbeschränkung |
| Sichtprüfung | Nur Oberfläche | Wie gedruckt und bearbeitet | Alle leitfähigen und nicht leitfähigen Metalle | Kostengünstig und in Echtzeit während des Druckvorgangs ausführbar | Unter der Oberfläche liegende oder innere Fehler können nicht erkannt werden |
| Phased-Array-Ultraschall | Volumen- und Innenmaße | Bearbeitete oder vorbereitete Oberflächen | Baustahl, Titan, Edelstahl | Hohe Empfindlichkeit gegenüber planaren Fusionsdefekten | Leidet unter starker Dämpfung in grobkörnigen Strukturen |
| Röntgenuntersuchung | Volumen- und Innenmaße | Wie gedruckt und bearbeitet | Die meisten Konstruktionslegierungen | Hervorragend geeignet zur Erkennung von kugelförmigen Gasporen | Hohe Sicherheitsanforderungen und geometrische Zugangsbeschränkungen |
| Eindringmittel | Nur Oberflächenbrechung | Nur bearbeitete Flächen | Nicht poröse Metalle, darunter Aluminium und Bronze | Einfache Umsetzung mit anschaulichen, gut verständlichen Ergebnissen | Erfordert die vollständige Beseitigung von Unebenheiten an der rohen Schweißnahtoberfläche |
| Magnetpartikel | Oberfläche und oberflächennah | bearbeitet oder leicht vorbereitet | Ferromagnetische Werkstoffe wie Kohlenstoffstähle | Erkennt enge, mit Verunreinigungen gefüllte Risse | Ausschließlich auf ferromagnetische Metalle beschränkt |
| Wirbelstromprüfung | Oberfläche und oberflächennah | Leicht vorbehandelte Oberflächen | Alle elektrisch leitfähigen Metalle | Kann dünne Beschichtungen und Lackschichten durchdringen | Die Eindringtiefe ist auf wenige Millimeter begrenzt |
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Standard-Workflows bei der zerstörungsfreien Prüfung: Rohteile vs. fertig bearbeitete Bauteile
Da der Zustand der Oberfläche ausschlaggebend für die Wirksamkeit bestimmter zerstörungsfreier Prüfverfahren ist, werden industrielle Qualifizierungsabläufe entsprechend den einzelnen Fertigungsschritten in separate Phasen unterteilt.
Phase 1: Prüfung des gedruckten Bauteils
Die Prüfung beginnt unmittelbar, nachdem der Roboterarm den Auftrag abgeschlossen hat und das Bauteil auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist. Ziel ist es, größere Makrofehler zu erkennen, bevor Zeit und Kapital in die Nachbearbeitung und Bearbeitung investiert werden.
- Sichtprüfung nach dem Druck: Die gesamte Geometrie wird visuell oder mit Strukturlichtsystemen gescannt, um die Einhaltung der Maßvorgaben zu überprüfen und auf sichtbare Oberflächenfehler zu kontrollieren.
- Hochenergetische Röntgenaufnahme: Sofern es die Formgebung zulässt, wird eine Röntgenaufnahme des Rohgusses angefertigt, um die innere Dichte zu beurteilen und Bereiche mit erheblicher Porosität oder groben Verbindungsfehlern zu lokalisieren.
- Gezielte Wirbelstromprüfung an rohen Oberflächen: Die Techniker verwenden spezielle flexible Sonden, die sich den Unebenheiten der Schweißnaht anpassen und kritische Bereiche abtasten, die anfällig für thermische Spannungsrisse sind.
Phase 2: Prüfung des bearbeiteten Bauteils
Sobald das Bauteil einer Nachbearbeitung unterzogen wurde, wie beispielsweise Spannungsarmglühen und subtraktives CNC-Fräsen, wird die Oberfläche glatt. Dadurch steht die gesamte Palette hochauflösender zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Verfügung.
- Oberflächenvorbereitung und -prüfung: Die Eindring- oder Magnetpulverprüfung wird auf der gesamten bearbeiteten Oberfläche durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf den Übergangsbereichen liegt, an denen das gedruckte Metall auf herkömmliche geschmiedete oder gegossene Grundplatten trifft.
- Phased-Array-Ultraschallprüfung: Die glatt bearbeitete Oberfläche ermöglicht eine optimale akustische Kopplung. Die Techniker führen vollständige Volumenscans mit speziellen, auf die Materialart abgestimmten Keilen durch, um die innere Struktur millimetergenau abzubilden.
- Abschließende Qualifizierung und Härteverteilung: Kritische Strukturbereiche werden einer zerstörungsfreien Härtemessung unterzogen, um sicherzustellen, dass die Wärmebehandlungen nach dem Druck die angestrebten mechanischen Eigenschaften erfolgreich erreicht haben.
Erfahren Sie mehr darüber, wie wir diese Phasen bei unseren Projekten anwenden, indem Sie sich die Seite „Anwendungen“ ansehen.
Internationale Normen und Einhaltung der Vorschriften für die WAAM-Prüfung
Um gedruckte Bauteile in regulierten Branchen einsetzen zu können, müssen Hersteller die von internationalen Normungsorganisationen und Klassifikationsgesellschaften festgelegten Rahmenbedingungen einhalten. Diese Gremien haben die traditionellen Schweiß- und Gussnormen aktualisiert, um additive Fertigungsverfahren einzubeziehen.
DNV RP A203 und DNV OS B101
DNV gilt als führende Instanz für die Qualifizierung von additiv gefertigten Bauteilen in maritimen und Offshore-Energieanwendungen. Die empfohlene Praxis DNV RP A203 enthält klare Richtlinien für die Qualifizierung von Bauteilen, die mittels additiver Fertigung hergestellt wurden. Sie legt strenge Prüfverfahren fest, einschließlich spezifischer Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit zerstörungsfreier Prüfungen, und stellt sicher, dass die Bauteile ein Qualitätsniveau erreichen, das dem von herkömmlichen geschmiedeten oder gegossenen Bauteilen entspricht oder dieses übertrifft.
ASME-Norm für Kessel und Druckbehälter
Bei Druckgeräten, Ventilen und Verteilerblöcken müssen die Bauteile dem ASME-Code für Kessel und Druckbehälter entsprechen, insbesondere Abschnitt V für die zerstörungsfreie Prüfung und Abschnitt IX für Schweiß- und Hartlötqualifikationen. Bei der Qualifizierung eines Lichtbogenschweißverfahrens muss der Hersteller nachweisen, dass die eingesetzten zerstörungsfreien Prüfverfahren Fehler bis hin zu den im Konstruktionscode festgelegten minimal zulässigen Fehlergrößen zuverlässig erkennen können.
Weitere maßgebliche Vorschriften
- ISO 17640: Zerstörungsfreie Prüfung von Schweißnähten mittels Ultraschallverfahren.
- ASTM E3029: Standardverfahren zur Validierung der Verfolgung und Leistung von Computertomographiesystemen.
- AWS D20.1: Spezifikation für die Herstellung von Metallbauteilen mittels additiver Fertigung, herausgegeben von der American Welding Society.
- NACE MR0175: Sicherstellung, dass Konstruktionswerkstoffe, die sauren Betriebsumgebungen ausgesetzt sind, einer speziellen Prüfung unterzogen werden, um sulfidinduzierte Spannungsrisse zu verhindern.
Der Qualifizierungsprozess erfordert ein vollständiges Protokoll zur Verfahrensqualifizierung, das durch umfangreiche Daten aus der zerstörungsfreien Prüfung untermauert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Roboterzelle über mehrtägige Produktionsläufe hinweg eine gleichbleibende Qualität gewährleistet. Erfahren Sie mehr über unsere Zertifizierung und unsere hohen Standards.
Einsatz der MetalXL-Software für digitale Rückverfolgbarkeit und Inspektion
Das entscheidende Unterscheidungsmerkmal beim modernen robotergestützten Drahtlichtbogendruck ist die Art und Weise, wie Software den Prozess der zerstörungsfreien Prüfung optimieren und rationalisieren kann. In der traditionellen Fertigung erfolgt die Prüfung erst nach dem Druck, was bedeutet, dass Techniker ein mehrere Meter langes Bauteil vollständig scannen müssen, um einen möglichen Fehler zu finden. Die MetalXL-Software-Suite von MX3D verändert diese Situation grundlegend, indem sie eine fortschrittliche digitale Rückverfolgbarkeit integriert.
Während des Druckvorgangs überwacht und protokolliert das MetalXL Live-Modul kontinuierlich wichtige Prozessdaten direkt vom Roboterschweißbrenner. Parameter wie Zwischenlagentemperatur, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Stromstärke, Spannung und Brennerposition werden in Echtzeit erfasst. Tritt ein Temperaturspitzenwert auf oder weicht die Zwischenlagen-Abkühlzeit vom genehmigten Verfahren ab, protokolliert die Software die genauen räumlichen Koordinaten der Abweichung.
Wenn das Bauteil in die Prüfphase eintritt, erstellt das MetalXL Viz-Modul einen hochauflösenden digitalen Zwilling des Bauteils, wobei die erfassten Sensordaten direkt auf die Geometrie des 3D-Modells abgebildet werden. Dadurch erhalten die ZF-Techniker eine Übersicht darüber, an welchen Stellen genau Prozessabweichungen aufgetreten sind. Anstatt einen umfassenden, zeitaufwändigen Volumenscan einer sechs Meter langen Struktur durchzuführen, können Inspektionsteams gezielte Phased-Array-Ultraschallprüfungen oder Röntgenuntersuchungen genau an den von der Software markierten Stellen vornehmen. Dieser datengesteuerte Ansatz reduziert den Prüfungsaufwand erheblich, beschleunigt die industrielle Zertifizierung und liefert Anlagenbesitzern einen unverfälschbaren Nachweis der inneren Qualität.
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Häufig gestellte Fragen
Was versteht man unter zerstörungsfreier Prüfung bei der additiven Fertigung mittels Lichtbogen?
Unter zerstörungsfreier Prüfung versteht man eine Reihe von Analyseverfahren, mit denen die strukturelle Integrität, die innere Qualität und die mechanische Festigkeit von gedruckten Metallteilen bewertet werden können, ohne das Bauteil physisch zu beschädigen.
Warum ist die Ultraschallprüfung bei rohen Druckbauteilen schwierig?
Die charakteristische Oberflächenwelligkeit überlappender Schweißnähte streut das akustische Signal und verhindert, dass herkömmliche Kontakt-Prüfköpfe eine gleichmäßige Kopplung aufrechterhalten können. Zudem führt die grobe, anisotrope Kornstruktur des Metalls zu einer starken akustischen Dämpfung.
Kann man die Teile während des Druckvorgangs überprüfen?
Ja. Die Inline-Prüfung kann mithilfe von visuellen Sensoren, Laserprofilometern und Wärmebildkameras durchgeführt werden, die in die Roboterzelle integriert sind. Diese Instrumente überwachen Schicht für Schicht die geometrische Konformität und die Temperaturprofile, sodass das System oder der Bediener Fehler sofort beheben kann.
Welches zerstörungsfreie Prüfverfahren eignet sich am besten zur Erkennung von Verbindungsfehlern bei Metallgussteilen?
Die Phased-Array-Ultraschallprüfung eignet sich hervorragend zur Erkennung innerer, ebener Schweißnahtfehler, da der Schallstrahl elektronisch gesteuert und aus verschiedenen Winkeln fokussiert werden kann, um die flachen Fehlergrenzen zu erfassen.
Inwiefern trägt die digitale Prozessprotokollierung zur Senkung der Kosten für die zerstörungsfreie Prüfung bei?
Softwareplattformen wie MetalXL erfassen und protokollieren genaue Fertigungsparameter in Echtzeit. Durch die Abbildung von Prozessabweichungen auf einen digitalen Zwilling können Techniker das Scannen fehlerfreier Abschnitte überspringen und hochauflösende Prüfungen ausschließlich auf bestimmte Bereiche konzentrieren. Entdecken Sie unsere Technologie.
