FQS-Forschungsprojekt MBJ-Control: Qualität in additiven Druckprozessen gezielt überwachen
Metal Binder Jetting (MBJ) gilt als vielversprechendes additives Fertigungsverfahren für die industrielle Herstellung metallischer Bauteile. Besonders für kleine und mittlere Unternehmen bietet die Technologie Potenzial, da sie eine wirtschaftliche Fertigung komplexer Geometrien ermöglicht. Gleichzeitig stellt die Qualitätssicherung im MBJ-Prozess Unternehmen noch vor erhebliche Herausforderungen: Fehler werden häufig erst nach dem Druckvorgang oder in nachgelagerten Prozessschritten sichtbar. Eine kontinuierliche Überwachung während der Fertigung ist bislang nicht etabliert.
Hier setzt das über die FQS – Forschungsgemeinschaft Qualität geförderte Forschungsprojekt „MBJ-Control“ an. Im Rahmen der zweijährigen Projektlaufzeit entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und des BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik ein innovatives Monitoring-System, das zu einer Steigerung der Bauteilqualität, der Prozessstabilität sowie der Wirtschaftlichkeit beitragen soll. Zwölf Unternehmen begleiten die Forschungsarbeiten als Industriepartner im Projektbegleitenden Ausschuss.
Im Interview geben die Projektverantwortlichen Thorsten Müller (Fraunhofer IFAM) und Claas Falldorf (BIAS) Einblicke in die Ausgangslage, das geplante Vorgehen und den Nutzen der Ergebnisse für Unternehmen.
Aus welcher Problemstellung heraus ist das Forschungsprojekt entstanden?
Müller: Für das pulverbettbasierte 3D-Druckverfahren Metal Binder Jetting (MBJ) existieren bislang keine integrierten Kontroll- und Monitoringsysteme, die eine kontinuierliche Überwachung und Steuerung des Fertigungsprozesses ermöglichen. Während solche Systeme bei strahlbasierten Verfahren wie dem selektiven Laserstrahlschmelzen bereits erfolgreich eingesetzt werden und zur Qualitätssteigerung beitragen, fehlt beim MBJ die Möglichkeit, den Prozess in Echtzeit zu kontrollieren. Die bisherige Praxis beschränkt sich auf nachgelagerte Prüfungen, wie zum Beispiel die Messung der Grünteildichte, die erst nach Abschluss des Druckvorgangs und des Entpulverns durchgeführt werden können. Dadurch können Fehler nicht mehr rechtzeitig erkannt und korrigiert werden, was zu erhöhtem Ausschuss und damit zu einem ineffizienten Prozess führt.
Welches Know-how wird im Rahmen des Forschungsprojekts MBJ-Control entwickelt und wie kann es zur Lösung der geschilderten Problemstellung beitragen?
Falldorf: Im Rahmen dieses Projekts wird das Know-how zur Entwicklung eines schichtweisen Monitoringsystems aufgebaut, das mittels Musterprojektion die Topografie des Pulverbetts und den Bindereintrag während des Druckvorgangs überwacht. Dieses System ermöglicht automatisierte, detaillierte Echtzeitmessungen und die anschließende datenbasierte Auswertung. Kern des entwickelten Know-hows ist die Fähigkeit, Merkmale der Pulverbetttopografie und des Bindereintrags präzise zu erkennen, auszuwerten und mit der Qualität der gedruckten Grünteile zu korrelieren. Um die hierbei entstehenden riesigen Datenmengen effizient auszuwerten und Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und Bauteilqualität zu identifizieren, kommen moderne Methoden wie Machine Learning zum Einsatz. Das so gewonnene Wissen unterstützt die frühzeitige Erkennung von Fehlern, die gezielte Prozessoptimierung und die deutliche Reduktion von Ausschuss und Nacharbeit.
Abb. 1: MBJ-Bauteil (Quelle: Fraunhofer IFAM)
Abb. 2: Ausmessen der Einbauposition des Scanners im Drucker (Quelle: Fraunhofer IFAM)
Wer soll von den Ergebnissen profitieren und welcher konkrete Nutzen ergibt sich für Unternehmen?
Müller: Von den Ergebnissen des Projekts sollen insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) profitieren, die additive Fertigungsverfahren wie MBJ bereits nutzen oder neu einführen möchten. Das Monitoring-System erleichtert den Einstieg, weil es die Personalkosten für Qualitätssicherung und Fehleranalyse reduziert, die Produktionssicherheit erhöht und die Ausschussrate minimiert. Dadurch wird das First-Time-Right-Prinzip unterstützt, also das Ziel, Bauteile bereits beim ersten Durchlauf in der gewünschten Qualität zu fertigen. Unternehmen können ihre Material- und Geometrieentwicklungen schneller abschließen, weil Störfaktoren leichter identifiziert und Prozesse gezielter angepasst werden können. Auch die Rückverfolgbarkeit und der Aufbau digitaler Zwillinge werden verbessert. Für Unternehmen aus der Messtechnik eröffnet das Projekt zusätzliche Chancen, indem sie neue Geschäftsmodelle und Dienstleistungen rund um das Monitoring-System entwickeln und anbieten können. Insbesondere für KMU bedeutet dies einen einfacheren, kosteneffizienteren Zugang zu dieser Technologie und eine Steigerung der Prozesssicherheit.
Wie sieht das weitere Vorgehen im Forschungsprojekt aus?
Falldorf: Das Vorgehen im Forschungsprojekt sieht vor, das entwickelte Monitoringsystem am MBJ-Prozess praktisch zu demonstrieren und zu validieren. Dazu gehören die Integration der Technik in ein Anlagensystem, die automatisierte Datenerfassung und Auswertung in Echtzeit sowie die kontinuierliche Korrelation der Topografiedaten mit der Bauteilqualität. Ferner werden Methoden zur Fehlererkennung, Prozesssteuerung und zum Aufbau digitaler Zwillinge entwickelt. Die Projektergebnisse sollen nach Abschluss schnell und unkompliziert für KMU verfügbar gemacht werden, um einen schnellen Technologietransfer und eine breite Nutzung in der Industrie zu ermöglichen.
Stimmen aus dem Projektbegleitenden Ausschuss:
Florian Gerdts, Team Lead Process Development, Element22 GmbH
Element22 ist Spezialist für pulvermetallurgische Verarbeitung, Design- und Simulationsprozesse rund um Titan, Titanlegierungen und andere reaktive Metalle und liefert als nach EN/AS 9100, EN ISO 13485 und ISO 9001 qualifiziertes Unternehmen Bauteile und Produkte unter anderem für Medizintechnik, Luftfahrt und Mobilitätsanwendungen. Für diese anspruchsvollen Märkte sind reproduzierbare Prozesse, belastbare Qualitätsnachweise und ein tiefes Verständnis der gesamten Prozesskette entscheidend. Aus unserer Sicht adressiert das Forschungsprojekt MBJ-Control hierfür eine zentrale Fragestellung: die prozessbegleitende, datenbasierte Bewertung des Pulverbetts und des Bindereintrags in sinterbasierten additiven Fertigungsverfahren. Die schichtweise Vermessung der Pulverbett-Topografie mittels Lichtschnittverfahren kann dazu beitragen, Abweichungen frühzeitig zu erkennen, Prozessparameter gezielter zu bewerten und Zusammenhänge zwischen Druckprozess, Grünteilqualität und späterem Sinterergebnis besser zu verstehen. Als innovationsgetriebenes Unternehmen mit Erfahrung aus zahlreichen Förderprojekten sehen wir darin einen wichtigen Beitrag zur Industrialisierung sinterbasierter AM-Prozessketten. Besonders relevant ist für Element22 auch die mögliche Übertragbarkeit der Ergebnisse auf das ebenfalls schichtbasierte Verfahren Cold Metal Fusion sowie auf weitere pulvermetallurgische Herstellungsrouten für Titanbauteile mit herausragenden Materialeigenschaften.
Über die Interviewpartner:
Thorsten Müller, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM
Kontakt: thorsten.mueller@ifam.fraunhofer.de
Claas Falldorf, BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH
Kontakt: falldorf@bias.de
Über das Forschungsprojekt: Weitere Informationen zum Projekt und zu Beteiligungsmöglichkeiten können über die Geschäftsstelle der FQS bezogen werden. Eine Mitarbeit im Projekt ist auch nach Laufzeitbeginn noch möglich. Über die FQS: Vorstellung der FQS Forschungsgemeinschaft Qualität e.V. Kontakt:
Informationen zum Forschungsprojekt und Kontaktdaten
Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
(Förderkennzeichen: 01IF24706N; Forschungsvereinigung: FQS – Forschungsgemeinschaft Qualität e.V.)
Die FQS – Forschungsgemeinschaft Qualität e. V. (FQS) unterstützt seit 1989 die anwendungsorientierte Forschung rund um das Thema Qualität in Deutschland. Sie versteht sich selbst als Forschungsbereich der Deutschen Gesellschaft für Qualität e. V. (DGQ) und wird von ihr getragen. Die FQS fördert innovative Forschungsideen über das Instrument der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) und des Forschungsnetzwerks CORNET des Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE). Ziele der Förderung sind möglichst anwendungsnahe Forschungsideen, die einen unmittelbaren Nutzen für die Wirtschaft, insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU), erbringen.
Wer ist die FQS Forschungsgemeinschaft Qualität e.V. und was tut sie? Lernen Sie im Video den Forschungsbereich der DGQ kennen und erfahren Sie von Dr. Christian Kellermann-Langhagen, wissenschaftlicher Geschäftsführer der FQS, wie die FQS arbeitet, welche Themen beforscht werden und wie sich Unternehmen in der FQS beteiligen und von den eingesetzten Förderprogrammen profitieren können.
FQS – Forschungsgemeinschaft Qualität e. V.
August-Schanz-Straße 21A
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