Additive Fertigung in der industriellen Produktion

Die Anwendung additiver Fertigungsverfahren, meist als „3D-Druck“ bezeichnet, etabliert sich zunehmend in vielen Lebensbereichen und Industriezweigen. AM (Additive Manufacturing) bezeichnet die schichtweise Herstellung von Bauteilen ausgehend von digitalen 3D-Modelldaten. Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren entsteht das Bauteil dabei durch schichtweises Verbinden einzelner Pulver bzw. Materialschichten.

Aus der großen Vielfalt verschiedenster AM-Technologien sind für die Herstellung von Druckgerätebauteilen metallverarbeitende Prozesse von großer Relevanz. Führend hierbei sind die sogenannten Verfahren mit direkter Energieeinbringung (z.B. Laser-Pulver-Auftragsschweißen oder drahtbasiertes Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)) und die pulverbettbasierten Verfahren (PBF-LB). Während bei ersteren Verfahren das Bauteil Raupe für Raupe durch Auftragsschweißen erzeugt wird, entsteht bei letzterem die gewünschte Geometrie aus dem selektiven Schmelzen und Anbinden einer Pulverschicht.

Im Rahmen der Druckgeräterichtlinie (PED 2014/68/EU) kann für die Herstellung additiv gefertigter Druckgeräte derzeit kein einheitliches Regelwerk angewandt werden. Um dennoch konforme Druckgeräte herzustellen, werden gegebenenfalls verwandte Normen anderer Branchen und Prozesse herangezogen.

Allerdings gibt es für den Druckgerätebau keine harmonisierten Normen – entsprechend groß ist der Aufwand im Rahmen der Konstruktion und Prüfung. Dies stellt für den großflächigen Einsatz im Druckgerätebau eine beträchtliche Herausforderung dar. Umso wichtiger ist es, dass Sie einen Partner an Ihrer Seite haben, der sich mit den infrage kommenden Normen auskennt. Wir besitzen große Erfahrung und Expertise entlang der gesamten AM-Wertschöpfungskette und unterstützen Sie professionell mit unserem Know-how.

Unverzichtbar ist dabei ein übergeordnetes zertifiziertes Managementsystem. Es dient dazu, den Unternehmenserfolg durch kontinuierliche und effiziente Verbesserungen systematisch voranzutreiben. Mit Blick auf das konkrete Produkt ist eine Zertifizierung nach der PED 2014/68/EU und AD2000 als Kombizertifizierung möglich. Im Rahmen der Systemzertifizierungen werden die Fertigungszentren einer allgemeinen Prüfung unterzogen. So decken wir alle relevanten Qualitätssicherungsverfahren für die gesamte AM-Wertschöpfungskette (Produktionsprozess) ab.

Zertifizierung von AM-Herstellern

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Die Additive Fertigung (AM) revolutioniert Design und Herstellung von Bauteilen. Eine neue Herausforderung für Konstrukteure und Entwickler sind die unter dem Begriff Design for Additive Manufacturing (DfAM) zusammen gefassten Methoden und Designregeln, die es ermöglichen, ein AM-optimiertes Design zu erreichen (Gitterstrukturen, generatives Design, Topologie-Optimierung, Thermische Simulationen usw.). Dabei sind die Regeln u.a. abhängig von den Eigenschaften der Maschine, wie z.B. Bauraumgröße, Drucktechnologie (Metal 3D, FDM, SLS, …) und Ausgangsmaterial.

Der Hauptvorteil liegt in der weitestgehenden Designfreiheit. Bauteile können optimal an die funktionalen Anforderungen angepasst werden, was zu völlig neuartigen, funktionsintegrierenden Designs führt, die den zurzeit noch höheren Aufwand rechtfertigen können. Die Replizierung eines konventionellen Designs ist natürlich ebenso möglich, ist jedoch aktuell aus Kosten- und Zeit-Gründen keine sinnvolle Anwendung dieser neuen Produktionstechnik.

Für Druckgeräte im Rahmen der PED 2014/68/EU ist häufig eine Entwurfsprüfung durch eine Notifizierte Stelle wie TÜV Rheinland durchzuführen (Ausnahme für Kat I,II Module A, A2, D1,E1). Hierbei können unsere Experten auch die Besonderheiten der AM-Konstruktion und AM-Herstellung wie komplexe Geometrien, Porosität, Eigenspannungen in der Entwurfsphase z.B. durch FEM-Simulationen bewerten.

Für die schweißtechnische Weiterverwendung des Druckgerätes in die vorhandene Anlagentechnik beim Betreiber können unsere Schweißtechnik-Experten schon früh in den Planungsprozess einbezogen werden.

Entwurfsprüfung und Konformitätsbewertung nach PED 2014/68/EU

Baumuster nach PED 2014/68/EU

Der Hersteller/Lieferer von Ausgangsmaterial/Pulver wird hinsichtlich der Qualitätsanforderungen auf sein Erzeugnis inklusive Fertigungssicherheit überprüft. Dabei spielt der Mensch mit seinen Werkstoffkenntnissen und -erfahrungen eine ebenso wichtige Rolle wie die Fertigungseinrichtungen vor Ort, die regelmäßig kalibriert und geprüft werden müssen. In den Prozess der Werkstoffherstellung ist meist der Druckgerätehersteller eng eingebunden. Dabei ist der Werkstoffhersteller für die Einhaltung der Anforderungen an den Werkstoff verantwortlich. Die Werkstoffspezifikation definiert die technischen Lieferbedingungen die für die Auslegung und Absicherung herangezogenen Werkstoffeigenschaften erforderlich sind.

Als neuer Akteur in der Wertschöpfungskette der additiven Fertigung tritt der Druckgerätebauteil-Hersteller auf. Er agiert als Schnittstelle zwischen den Herstellern der Ausgangsmaterialien und dem Druckgeräte-Hersteller und dient als verlängerte Werkbank bei der Herstellung des Bauteils.

Zertifizierung als Werkstoff- oder Druckgerätebauteil-Hersteller

Sofern bereits Zertifizierungen bestehen, können die Spezifika einer additiven Fertigung entsprechend der obigen Tabelle in Form einer Erweiterung des Geltungsbereiches der jeweiligen Zertifizierung berücksichtigt werden.

3D-Drucker müssen in die bereits räumlich optimierte Fertigungslinie integriert werden. Daher ist es erforderlich, aufgrund der geforderten Reinheit etwa beim Pulverbettverfahren eigene Räumlichkeiten zu errichten

Die in den neuartigen Maschinen zur Anwendung kommenden Technologien wie Laser, Elektronenstrahlen und die Art der Werkstoffe bringen neue potenzielle Sicherheitsrisiken in die Fertigungslinie. Die Verwendung von Metallpulver führt für viele Hersteller z.B. zu neuen Herausforderungen im Arbeits- und Umweltschutz der Werkstofflogistik.

Der Gedanke der Nachhaltigkeit wird bei der Additiven Fertigung dadurch gegeben, dass nicht verwendete Ausgangswerkstoffe wiederverwendet werden können, sofern sie den Qualitätsanforderungen der Spezifikation entsprechen.

In der Qualifizierung des Herstellverfahrens weist der Hersteller dokumentiert nach, dass Bauteile mit abgesicherten Werkstoffeigenschaften in reproduzierbarer Qualität erzeugt werden können. Grundlage hierfür ist zunächst die Bauraumqualifizierung, in der mechanisch-technologische und geometrische Eigenschaften in Abhängigkeit von den Prozessparametern und der Lage bzw. Orientierung im Bauraum beschrieben werden.

Bauraumqualifizierung und Verfahrensqualifizierung

Werkstoffbegutachtung

Im Gegensatz zu klassischen (subtraktiven) Herstellverfahren, müssen die Bauteile bei der additiven Fertigung sowohl von Ihrer Bauplatte entfernt werden, als auch von ggf. für den Herstellprozess notwendigen Stützstrukturen, Thermostrukturen und überschüssigem Metallpulver befreit werden. Eine Wärmebehandlung oder Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit sind weitere mögliche Produktionsschritte, die ggf. zu Anwendung kommen.

Übertragung der Kennzeichnung, Zertifizierung für Wärmebehandlungsöfen

Werden alle notwendigen Regeln des AM-Designs beachtet, wird das Ergebnis Ihres neuen Fertigungsprozesses ein neuartiges Produkt (Bauteil) sein, welches einem vergleichbaren Produkt aus der klassischen Fertigungslinie funktional überlegen ist und z. B. Montagekosten, Materialkosten und Raum einspart oder auch eine neue Funktionalität oder effizientere Produkte ermöglicht.

Zertifizierung als Druckgeräte-Hersteller

AM-Druckgeräte werden zumeist in komplexe Anlagen integriert und somit häufig schweißtechnisch mit Nicht-AM-Druckgeräten wie Rohrleitungen verbunden. Hieraus können sich besondere Prüfanforderungen über den Lebenszyklus einer überwachungsbedürftigen Anlage im Rahmen der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) ergeben. TÜV Rheinland begleitet hierbei die Anlagenbetreiber bei der Erstellung von Prüfkonzepten und bei der Lebensdauerüberwachung mittels zerstörungsfreien Prüfungen oder Condition Monitoring unter den besonderen Anforderungen additiv gefertigter Druckgeräte.

Additive Fertigung ermöglicht die Produktion von Druckgeräte mit komplexen Strukturen und verbesserten Eigenschaften. Allerdings fehlen für Prüfungen und Zertifizierungen des Additive Manufacturing in vielen Bereichen noch harmonisierte Standards.

Wir unterstützen Sie als Hersteller in allen Fragen der Konformität des Druckgerätes sowie der Werkstoff- und Prüftechnik von metallischen Druckgeräten. Nutzen Sie unsere Expertise als Notifizierte Stelle im Rahmen der Druckgeräterichtlinie PED 2014/68/EU. Lassen Sie Ihr Managementsystem oder Ihr Produkt hinsichtlich AM-spezifischen Anforderungen prüfen und zertifizieren. Unser akkreditiertes Labor (DIN EN/ISO IEC 17025) bietet umfangreiche Analyse- und Werkstoffprüfmethoden für die sichere Bewertung und Inverkehrbringung des Druckgerätes an.

Als global aufgestellter Prüf- und Zertifizierungsdienstleister sind wir mit allen relevanten Standards mit Bezug auf die Additive Fertigung/3D-Druck weltweit vertraut. Gemeinsam mit regulatorischen Behörden und großen Industrieunternehmen arbeiten wir in den Gremien an ihrer Formulierung mit. Unsere Experten behalten die Entwicklung von Normen für Sie jederzeit im Blick.

Unsere hohe Reputation als unabhängige Stelle ist ein starkes Argument, damit Sicherheit, Qualität und Konformität Ihrer Produkte und Verfahren weltweit anerkannt werden. Zudem besitzt unser Expertenteam für Additive Manufacturing fundiertes Know-how bezüglich Werkstoffen, Fertigungstechnik und Industrieanwendungen.

In der Zusammenarbeit mit Ihnen steht für uns der Servicegedanke an erster Stelle. Das zeigt sich auch darin, dass wir gemeinsam mit Ihnen nach individuellen Lösungen für Ihre spezifische Aufgabe und Branche suchen.

Unsere Expertise im Bereich Additive Fertigung/3D-Druck beginnt mit der Cyber Security Ihrer Konstruktionsprozesse, umfasst die Prüfung von Materialien und Maschinen, die Arbeitssicherheit und die Konformität von Anlagen und Prozessen sowie die Prüfung von Produkten und Services für den weltweiten Marktzugang. Kurz: Bei uns erhalten Sie echtes One-Stop-Shopping und treffen auf kompetente Experten mit fundierter Branchenkenntnis, die Ihre Sprache sprechen.