iWP innovative Werkstoffprüfung GmbH & Co. KG
Heerdterbuschstr. 10
41460 Neuss
+49 2131 40575-0
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Die Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) verändert die Entwicklung und Herstellung sicherheitsrelevanter metallischer Bauteile grundlegend. Verfahren wie Laser Powder Bed Fusion (LPBF), Directed Energy Deposition (DED) oder Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ermöglichen komplexe Geometrien, funktionsintegrierte Strukturen und erhebliche Materialeinsparungen. Gleichzeitig entstehen neue Herausforderungen hinsichtlich Werkstoffqualität, Prozessstabilität und normgerechter Qualitätssicherung.
Konventionelle zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschall oder zweidimensionale Durchstrahlungsprüfung stoßen bei additiv gefertigten Bauteilen häufig an ihre Grenzen. Innere Kühlkanäle, Gitterstrukturen, komplexe Geometrien oder lokal verteilte Porosität lassen sich oftmals nur eingeschränkt bewerten.
Die industrielle Computertomographie (CT) bietet hier einen entscheidenden Mehrwert. Sie ermöglicht die vollständige dreidimensionale Erfassung der inneren und äußeren Geometrie, die quantitative Analyse von Porosität und Bindefehlern sowie die Maßprüfung mittels CAD-Soll-Ist-Vergleich. Damit entwickelt sich die CT zunehmend zu einem Schlüsselverfahren für Entwicklung, Fertigung, Qualifizierung und Lebensdauerbewertung additiv gefertigter metallischer Bauteile.
Dieser Fachartikel beschreibt den aktuellen Stand der Technik, relevante Normen und Richtlinien, typische Fehlermechanismen additiv gefertigter Komponenten sowie die Rolle der industriellen Computertomographie innerhalb moderner Qualitätssicherungskonzepte.
Die industrielle Fertigung befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Während metallische Komponenten traditionell aus Schmiede-, Walz- oder Gussteilen gefertigt und anschließend durch spanende Bearbeitung oder Schweißprozesse finalisiert wurden, erlauben additive Fertigungsverfahren heute die direkte Herstellung hochkomplexer Bauteile mit innenliegenden Kanälen, Gitterstrukturen und funktionsoptimierten Geometrien.
Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik, dem Werkzeug- und Formenbau sowie der Energietechnik eröffnet dies neue konstruktive Freiheiten. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Qualitätssicherung. Strukturelle oder sicherheitsrelevante Komponenten unterliegen hohen mechanischen und thermischen Belastungen. Bereits kleinste Fehlstellen können die Ermüdungsfestigkeit, Funktionsfähigkeit oder Restlebensdauer erheblich beeinflussen.
Bei additiv gefertigten Bauteilen reicht eine reine Oberflächenprüfung jedoch häufig nicht aus. Innere Fehlstellen wie Lack of Fusion, Gasporen, Schrumpfungsporosität oder eingeschlossenes Pulver bleiben ohne volumetrische Prüfung verborgen.
Die industrielle Computertomographie schließt diese Lücke. Durch die zerstörungsfreie dreidimensionale Erfassung des gesamten Bauteils liefert sie Informationen, die mit klassischen Verfahren nur eingeschränkt oder gar nicht zugänglich sind.
Die Additive Fertigung beschreibt Herstellungsverfahren, bei denen Bauteile schichtweise direkt aus digitalen CAD-Daten aufgebaut werden. Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren wird Material nur dort eingesetzt, wo es konstruktiv erforderlich ist.
Im metallischen Bereich kommen insbesondere folgende Verfahren zum Einsatz:
Laser Powder Bed Fusion (LPBF) – Hohe Präzision, feine Details
Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) – Vakuumverfahren für reaktive Werkstoffe
Directed Energy Deposition (DED) – Reparatur, Auftragschweißen, große Bauteile
Laser Metal Deposition (LMD) – Generative Schichtaufbau mit Pulver oder Draht
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) – Hohe Aufbauraten, großvolumige Strukturen
Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung komplexer Geometrien, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar wären. Beispiele sind innenliegende Kühlkanäle, Topologie-optimierte Strukturen, bionische Verstärkungen oder funktionsintegrierte Baugruppen.
Gleichzeitig unterscheiden sich additiv gefertigte Werkstoffe deutlich von klassischen Halbzeugen. Schichtweiser Aufbau, lokale Wärmezyklen und prozessbedingte Erstarrung beeinflussen Mikrostruktur, Anisotropie und Fehlerverteilung. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an Prüfstrategie und Prozessqualifizierung.
Additiv gefertigte metallische Bauteile unterliegen – je nach Anwendungsbereich – unterschiedlichen Normen und Vorschriften. Maßgeblich sind unter anderem:
DIN EN ISO/ASTM 52900 – Grundlagen und Terminologie
DIN EN ISO/ASTM 52901 – Allgemeine Anforderungen
DIN EN ISO/ASTM 52920 – Qualitätsanforderungen für AM-Prozesse
DIN EN ISO 15708 – Industrielle Computertomographie
ASTM E1441 – Guide for Computed Tomography Imaging
ASTM E1570 – Performance Evaluation of Industrial CT Systems
ASTM E1695 – Measurement by X-ray Computed Tomography
VDI/VDE 2630 – Computertomographie in der dimensionellen Messtechnik
Luft-/Raumfahrt: NADCAP AC7122, AMS7003, ASTM F3318
Automotive: VDA Band 5, IATF 16949
Medizintechnik: ISO 13485, FDA 21 CFR Part 820
Allgemeine Qualität: ISO 9001, ISO 17025
Für Hersteller bedeutet dies, dass nicht nur der Fertigungsprozess qualifiziert werden muss, sondern auch geeignete Verfahren zum Nachweis der Bauteilqualität etabliert werden müssen.
Die Qualität additiv gefertigter Bauteile wird maßgeblich durch den Energieeintrag, die Pulverqualität, die Prozessführung und die Nachbearbeitung beeinflusst.
Zu den häufigsten Fehlertypen zählen:
Gasporen entstehen durch eingeschlossene Gase im Schmelzbad. Schrumpfungsporen bilden sich infolge unzureichender Materialspeisung während der Erstarrung. Beide Fehlerarten beeinflussen insbesondere die Ermüdungsfestigkeit.
Unzureichend verschmolzene Schichten oder Bahnen führen zu flächigen Bindefehlern. Aufgrund ihrer Geometrie stellen sie häufig ein höheres Risiko dar als kugelförmige Poren und können als Ausgangspunkt für Rissbildung dienen.
Ein zu hoher Energieeintrag kann tiefe Dampfkapillaren erzeugen, die beim Kollabieren charakteristische Poren hinterlassen. Diese treten vor allem bei Laserprozessen auf.
Komplexe Innenkanäle oder Sacklochgeometrien können nicht vollständig vom Restpulver befreit werden. Eingeschlossenes Pulver kann die Funktion von Kühlsystemen oder Strömungskanälen beeinträchtigen.
Thermische Spannungen, Werkstoffzusammensetzung oder ungeeignete Prozessparameter können Heiß-, Kaltrisse oder Erstarrungsrisse verursachen. Sie gehören zu den kritischsten Fehlerarten bei sicherheitsrelevanten Bauteilen.
Konventionelle Verfahren wie Sichtprüfung, Farbeindringprüfung, Magnetpulverprüfung oder Ultraschall bleiben unverzichtbare Bestandteile der Qualitätssicherung. Bei additiv gefertigten Bauteilen zeigen sie jedoch verfahrensbedingte Grenzen:
Zweidimensionale Durchstrahlung: Liefert lediglich Projektionsbilder. Überlagerungen erschweren die Interpretation komplexer Geometrien.
Ultraschall: Wird durch raue Oberflächen (as-built), anisotrope Gefüge und innenliegende Kanäle beeinflusst.
Oberflächenverfahren: Erfassen ausschließlich offene Fehler.
Die industrielle Computertomographie ergänzt diese Verfahren, indem sie das vollständige Bauteilvolumen dreidimensional untersucht und quantitative Aussagen über Lage, Größe und Verteilung innerer Fehlstellen ermöglicht.
Bei der industriellen CT wird das Bauteil aus einer Vielzahl von Röntgenprojektionen rekonstruiert. Das Ergebnis ist ein dreidimensionales Volumenmodell, in dem jeder Voxel einen lokalen Schwächungswert repräsentiert.
Dadurch lassen sich sowohl die äußere Form als auch sämtliche inneren Strukturen zerstörungsfrei analysieren. Moderne CT-Systeme erreichen – abhängig von Bauteilgröße und Werkstoff – Auflösungen im Mikrometerbereich.
Anwendungsbereich | Nutzen |
|---|---|
Porositätsanalyse | Quantitative Erfassung von Volumen, Anzahl, Verteilung |
Defektklassifizierung | Unterscheidung Gasporen / Lack of Fusion / Risse |
Wandstärkenanalyse | Erkennung kritischer Bereiche |
CAD-Soll-Ist-Vergleich | Geometrische Abweichungen farbcodiert |
Geometrieprüfung | Maßhaltigkeit komplexer Innenkonturen |
Analyse innenliegender Kanäle | Nachweis von Durchgängigkeit und Restpulver |
Erstbemusterung | Freigabe neuer Bauteile oder Prozesse |
Serienüberwachung | Statistische Prozesskontrolle (SPC) |
Schadensanalyse | Versagensursachen, Ermüdungsrisse |
Ein wesentlicher Vorteil der industriellen Computertomographie liegt in der quantitativen Auswertung.
Anstatt lediglich das Vorhandensein eines Fehlers festzustellen, können unter anderem folgende Kennwerte bestimmt werden:
Gesamtporenvolumen
Porenanteil in Prozent (Relative Dichte)
Äquivalenter Porendurchmesser
Sphärizität (Formfaktor)
Orientierung
Abstand zur Oberfläche
Clusterbildung
Lokale Defektdichte
Diese Informationen ermöglichen eine deutlich differenziertere Bewertung als klassische Projektionsverfahren und bilden die Grundlage für statistische Prozessanalysen sowie Lebensdauerabschätzungen.
Neben der Defektanalyse bietet die CT eine hochpräzise geometrische Vermessung des gesamten Bauteils. Das rekonstruierte Volumen wird mit dem ursprünglichen CAD-Modell verglichen.
Dadurch lassen sich erkennen:
Maßabweichungen
Verzug
Wandstärkenunterschreitungen
Formabweichungen
Lagefehler
Schrumpfungsverhalten
Fertigungstoleranzen
Gerade bei komplexen Bauteilen mit innenliegenden Strukturen stellt diese Fähigkeit einen entscheidenden Vorteil dar.
Mit zunehmender Industrialisierung der additiven Fertigung wird die Bedeutung normgerechter zerstörungsfreier Prüfverfahren weiter steigen. Digitale Fertigungsprozesse, automatisierte Auswertung mittels Künstlicher Intelligenz und modellbasierte Zulassungsverfahren werden künftig enger miteinander verzahnt.
Die industrielle Computertomographie entwickelt sich dabei von einem reinen Analysewerkzeug zu einem integralen Bestandteil der digitalen Qualitätskette. Sie verbindet Fertigung, Messtechnik, Werkstoffcharakterisierung und Dokumentation in einem einzigen Datensatz und schafft damit die Grundlage für einen digitalen Zwilling sicherheitskritischer Bauteile.
Die additive Fertigung eröffnet der metallischen Bauteilfertigung neue konstruktive Möglichkeiten, stellt jedoch gleichzeitig hohe Anforderungen an Prozessbeherrschung und Qualitätssicherung. Aufgrund der komplexen inneren Strukturen und der spezifischen Fehlermechanismen additiver Fertigungsverfahren reichen klassische Prüfmethoden allein häufig nicht aus.
Die industrielle Computertomographie ermöglicht eine vollständige volumetrische Analyse, die sowohl Defekte als auch Geometrie und Maßhaltigkeit erfasst. In Verbindung mit den geltenden Normen und Richtlinien bildet sie eine wesentliche Grundlage für die Qualifizierung, Fertigungsüberwachung und Dokumentation additiv gefertigter metallischer Bauteile.
Für Hersteller, Betreiber und Prüfstellen ist sie damit eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zu sicheren, leistungsfähigen und normkonformen Produkten.
