Welche Methode ist die richtige?

Dichtebestimmung für AM-Bauteile

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 Die Zukunft der Dichtebestimmung 


In der additiven Fertigung (AM) sind Schliffbildanalysen derzeit das Maß der Dinge, wenn es darum geht, die Porosität von Bauteilen oder die mit ihnen zu druckenden Dichtewürfel zu beurteilen. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig und bindet über einen langen Zeitraum Personalressourcen. Auch ist eine konventionelle Rückführung auf ein Kalibriernormal nicht möglich, da eine Grauwertbinarisierung je nach Parametersatz erfolgt. 

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 Bedeutung der Dichte für AM-BAUTEILE 


Darüber hinaus zeigt ein einzelnes Schliffbild immer nur eine "Momentaufnahme" durch das Bauteil und daher keine wirklich vollständige Bewertung des gesamten Bauteils. Man muss sich auch darüber im Klaren sein, dass Schliffbilder bei hoher Porosität Probleme haben, da sie eine Pore in einem Winkel abschneiden können, der sie kleiner erscheinen lässt, als sie ist. Andererseits hat die CT-Analyse aufgrund der begrenzten Scanauflösung und Voxelgröße Probleme, Fehler in Teilen mit geringer Porosität zu erkennen. Durch den automatisierten Messbetrieb der Dimensionics Density Lösung werden solche Probleme vermieden.

Erste Untersuchungen zeigen eine gute Korrelation zwischen Schliffbildanalysen und der Bestimmung der Porosität auf Basis der Dichte. Die Bestimmung der Porosität über die Volumendichte mit der Lösung von Dimensionics Density stellt somit eine kalibrierte und rückführbare Lösung dar.

AM-Teile können aus einer Reihe verschiedener Materialien und mit einer Reihe verschiedener Fertigungsverfahren hergestellt werden, und viele können eine außerordentliche geometrische Komplexität aufweisen. Der Aufwand für die Bestimmung der Dichte eines Werkstücks steigt mit seiner Komplexität, und da AM-Teile oft nicht vollvolumig sind, sondern eine interne Stützstruktur haben, werden während der Konstruktion theoretische Kontrollwerte bestimmt und als Referenz für die Analyse nach der Studie verwendet. 

Dazu werden in der Regel definierte Quader gedruckt, die anschließend durch manuelle Messungen oder zeitaufwändige Schliffbilder Auskunft über die Dichte des komplexen Werkstücks geben.

Mit einer relativen Methode wird die ermittelte Dichte des Quaders mit der des Bauteils gleichgesetzt und mit den anhand von CAD-Modellen ermittelten Daten verglichen. Mögliche Abweichungen aufgrund von Fehlern in der Stützstruktur können so oft nicht erkannt werden. 


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Alternative Verfahren


Welche Verfahren existieren neben der automatisierten Dichtebestimmung durch die Density-Plattform? Wir bieten eine kleine Übersicht und nennen die
Vor- und Nachteile der jeweiligen Systeme.

Die Schliffbildanalyse ist ein Verfahren für die qualitative und quantitative Beschreibung des Gefüges von Werkstoffen. Die Probe/ das Bauteil wird segmentiert und die Oberfläche der Schnittfläche durch mechanische und chemische Verfahren präpariert. Anschließend erfolgt eine mikroskopische
Analyse des Bauteils.


 

Vorteile:
- hochpräzises Verfahren
- Ergebnisse geben eindeutige Rückschlüsse auf Prozessfehler

Nachteile:
- hoher Aufwand in der Schliffbilderstellung (bindet Personal)
- daraus resultierende Wartezeiten
- für effezientes Prozesshandling nicht optimal

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In der Computertomographie (CT) wird der Probekörper mit Röntgenstrahlung belichtet. Die Dichte beeinflusst die Helligkeit des belichteten bildgebenden Sensors. Während der Transmission durch das Material wird Röntgenstrahlung absorbiert, diese Absorption ist bei höherer Dichte des Materials stärker. Trifft ein Röntgenstrahl während der Transmission durch das Material auf eine Pore, so wird die Energie aufgrund der geringeren Dichte innerhalb der Pore weniger absorbiert. Daher trifft die Strahlung mit einer höheren Energie auf den Detektor und erzeugt ein dunkleres Bild. Durch eine dreidimensionale Belichtungsstrategie ist es möglich die Form und Lage der Poren zu bestimmen.


 

Vorteile:
- präzise dreidimensionale Darstellung von Poren und Porenclustern im Bauteil
- Ausprägung, Häufung und Form von Poren kann analysiert werden


Nachteile:
- hoher initialer Invest
- Einsatz von geschultem Personal erforderlich
- Mikroporositäten aufgrund Auflösungsgrenze nicht mehr erkennbar
- Wartezeiten durch Nachbearbeitung von Rohdaten um Artefakte im Bild zu eliminieren.

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Die Dichtebestimmung nach Archimedes ist eines der gängigsten Verfahren in vielen Branchen. Hierfür werden Dichtekits, spezielle Laborwaagen mit einem passenden Messaufbau, verwendet. Die Probe wird anschließend an der Luft und in einer definierten Flüssigkeit gewogen. Aus der Differenz wird die Dichte des Bauteils bestimmt.


 

Vorteile:
- schnelles Analyseverfahren
- Archimedes laut Studien höchste Genauigkeit

Nachteile:
- starker menschlicher Einfluss (Fachkräfte benötigt)
- Messung nur im Labor (lange Laufwege)
- für hohe Stückzahlen ungeeignet

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Bei der optischen Dichtebestimmung wird das zu prüfende Objekt in seinen Maßen gänzlich erfasst und das Volumen bestimmt. Im Anschluss erfolgt die Wiegung für die Massenbestimmung und daraus resultierend die Dichtebestimmung des Bauteils.



Vorteile:

- schnelles Verfahren für die Dichtebestimmung
- für einfache und regelmäßige Geometrien sehr gut geeignet

Nachteile:
- abhängig von der Auflösung der Sensoren
- hohe Anschaffungskosten
- ungeeignet für die Analyse komplexer Geometrien

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ANALYTISCHE VERFAHREN

Der Aufwand der Prüfung entscheidet über Wirtschaftlichkeit

Archimedes

 

Die alternative Methode der optischen Dichtebestimmung, bei der das Volumen eines Körpers mit Sensoren gemessen und anschließend gewogen wird, stößt bei komplexen Bauteilen mit minimalen Phasen, Kernbohrungen und teilreflektierenden Oberflächen schnell an ihre Grenzen. Bei der Dichtebestimmung ist eine Messung nach dem archimedischen Prinzip die beste und effizienteste Lösung. Als vollautomatische Lösung bietet die Dimensionics Density Lösung den richtigen Ansatz für eine hochpräzise Umsetzung dieses Messverfahrens. 

Dimensionics Density basiert zwar auf einem archimedischen Prinzip, überwindet aber die Nachteile der typischen, auf dem archimedischen Prinzip basierenden Technologien zur Dichtebestimmung im Labor und entwickelt eine Lösung, die die Dichte wirklich misst.

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Dichtebestimmung – welche Methode ist die richtige?

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Dimensionics und die Firma Arburg haben Untersuchungen zum Schrumpfverhalten von MIM-Bauteilen unter Berücksichtigung der Dichte von Grünteilen durchgeführt. 

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janjörg

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