Entwicklung von Standards für den 3D-Druck:Wo stehen wir heute? (Update 2020)

Der Weg zur Standardisierung für aufstrebende Branchen und Technologien kann lang und mühsam sein. Aber damit eine Branche einen starken Markt entwickeln kann, wird die Notwendigkeit standardisierter Prozesse immer wichtiger.

Der 3D-Druck hat diesen Wendepunkt erreicht:46 % der von EY befragten Unternehmen erwarten, dass die Technologie bis 2022 für die Endteilfertigung eingesetzt wird Die Standardisierung ist aktueller denn je.

Die Vorteile der Standardisierung für den 3D-Druck

Standardisierung bezieht sich auf die besten Praktiken, Vorschriften und Benchmarks, die Branchen und Organisationen leiten. Für eine aufkommende, disruptive Technologie wie den 3D-Druck können Standards eine dringend benötigte Grundlage für eine breitere Akzeptanz der Technologie bieten, insbesondere wenn der Markt weiter wächst. Die Vorteile für eine bessere Qualitätssicherung und Prozesskonsistenz liegen auf der Hand.

Der Weg zu einer stärkeren Standardisierung der additiven Fertigung ist jedoch nicht einfach. Aufgrund der digitalen Ursprünge der additiven Fertigung sind zusätzliche Faktoren zu berücksichtigen als bei der traditionellen Fertigung, von der Verwendung von Datenformaten bis hin zu Richtlinien für Konstruktions- und Produktionsprozesse.

Wir sehen zwei Kernvorteile der Standardisierung für 3D Drucken:

1. Konsistenz sicherstellen

Die konstante Herstellung von Teilen von hoher Qualität und die Sicherstellung eines wiederholbaren Prozesses jedes Mal bleibt eine der aktuellen Herausforderungen in der additiven Fertigung.

Additive Produktion besteht aus einem komplexen Netzwerk von Variablen, von Rohstoffen über Designoptimierung bis hin zu Herstellungsprozessen, die wiederum das Zusammenspiel einer Infrastruktur aus Soft- und Hardware erfordern. Jede dieser Phasen muss überwacht, bewertet und gesteuert werden, um die Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit von 3D-gedruckten Teilen zu gewährleisten und gleichzeitig kostspielige Versuch-und-Irrtum-Ansätze zu vermeiden.

Standardisierung kann dabei helfen, die Parameter für jeden Schritt der AM-Produktion zu definieren und so einen konsistenten Prozess bei jedem Schritt zu schaffen. Auf diese Weise kann ein Unternehmen die Qualität seiner AM-Prozesse mit einer Reihe von vorläufigen Kriterien vergleichen. Dadurch wird sichergestellt, dass das gewünschte Qualitätsergebnis erreicht wird.

2. Erfüllung regulatorischer Standards

In stark regulierten Branchen wie Medizin, Automobil, Luft- und Raumfahrt und Verteidigung können Probleme mit der Produktzertifizierung auch eine breitere Akzeptanz von AM verzögern. Mit additiven Technologien hergestellte Teile haben Eigenschaften, die sich von denen mit subtraktiver Fertigung unterscheiden können, was die Qualitätssicherung und Zertifizierung erschwert.

Qualifizierungs- und Zertifizierungsstandards eröffnen einen gangbaren Weg zur Produktzertifizierung, indem sie die Richtlinien bereitstellen, anhand derer Teile bewertet und qualifiziert werden.

Herausforderungen für die Standardisierung

Während einige Standards für den 3D-Druck derzeit existieren, befinden sich viele der kritischen Standards noch in der Entwicklung. Wir haben einige Bereiche skizziert, in denen eine Standardisierung für den 3D-Druck erforderlich ist.

1. Materialien

Eine der aktuellen Herausforderungen dreht sich um AM-spezifische Materialien, für die es für viele keine Standards gibt. Insbesondere Materialien für die additive Fertigung von Metallen sind ein Schwerpunktthema, zumal sie in sehr anspruchsvollen Industrien wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizin verwendet werden.

Die fehlende Standardisierung für AM-spezifische Materialien führt beispielsweise dazu, dass Hersteller keine Belastungswerte übernehmen können. Design- und Prozesskontrolldaten sind auch aufgrund fehlender 3D-Druckmaterialspezifikationen sehr begrenzt, was sich auf die Art und Weise auswirken kann, wie ein Teil erstellt wird.

Eine Möglichkeit, dieses Problem teilweise zu lösen, besteht darin, bestehende Standards, die für konventionelle Materialien entwickelt wurden, direkt für AM-Materialien zu übernehmen. Inwieweit diese Standards angewendet werden können, muss jedoch noch ermittelt werden, da sich das mechanische Verhalten von AM-Teilen erheblich von ihren konventionell gefertigten Gegenstücken unterscheiden kann.

2. Prozesskontrolle

Der proprietäre Charakter von AM-Prozessvariablen stellt eine weitere Herausforderung für die Standardisierung dar. Viele Hersteller von 3D-Druckern sind möglicherweise nicht bereit, Daten zur Optimierung von Prozessvariablen zu teilen, die sich auf die Eigenschaften eines gedruckten Teils wie thermische Vorgeschichte, Mikrostruktur und Fehlerbildung auswirken. Hier werden Kollaborations- und offene Plattformstrategien der Schlüssel zur Bewältigung dieser Herausforderung sein.

3. Zertifizierung

Schließlich ist die Entwicklung robuster Zertifizierungsansätze ein Schwerpunkt der 3D-Druck-Standardisierung. Die derzeitige Methode der Qualitätssicherung und -verifizierung besteht im Testen von Endteilen, was zusätzliche Zeit und Ressourcen erfordert. Um dieses Problem zu lösen, muss die Industrie umfassende Teilezertifizierungsprozesse entwickeln, die eine bessere Qualitätskontrolle in Echtzeit ermöglichen.

Erschwerend kommt hinzu, dass sich Zertifizierungsprozesse je nach Branche und Anwendung unterscheiden. Wie und wann Tests für die Zertifizierung durchgeführt werden, ist ein Bereich, der von jedem Standardisierungsprozess spezifiziert werden muss.

Entwicklung eines standardisierten Frameworks für den 3D-Druck

Bisher wurde noch kein globaler Konsens über Standards für additive Fertigungsverfahren und Produkte erreicht. Der Fortschritt nimmt jedoch Gestalt an, da Normungsorganisationen (SDO) und andere Gremien gemeinsame Anstrengungen unternehmen, um einen umfassenden Satz von Normen für die additive Fertigung zu erstellen.

Normenentwicklungsorganisationen

ISO und ASTM International sind zwei wichtige SDOs, die spezielle Ausschüsse gebildet haben, um die Einführung der additiven Fertigung in allen Branchen zu unterstützen. Auf der Grundlage freiwilliger Bemühungen arbeiten sowohl ISO als auch ASTM International daran, alle Aspekte der additiven Fertigung abzudecken.

2016 haben sie gemeinsame Arbeitsgruppen eingerichtet, um eine gemeinsame Organisationsstruktur für AM-Standards zu aktualisieren und zu genehmigen. mit dem Ziel, ihre Entwicklung innerhalb der AM-Branche zu harmonisieren.

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit haben beide SDOs einen Rahmen für 3D-Druckstandards angekündigt – die Additive Manufacturing Standards Structure . Das Framework umreißt die verschiedenen Kategorien, die einer Standardisierung bedürfen, die im Großen und Ganzen Folgendes abdecken:

• Materialien
• Prozesse und Ausrüstung
• Behandlung von Fertigteilen
  

Seitdem war die Zusammenarbeit fruchtbar. Ab Mai 2020:

• ASTM-Komitee F42 für additive Fertigungstechnologien hat 22 Standards genehmigt
• Das ISO Technical Committee 261 on Additive Manufacturing (ISO/TC 261) hat 15 Standards veröffentlicht, mit weiteren 30 Standards in verschiedenen Entwicklungsstadien.

ASTM hat außerdem mehrere Finanzierungsrunden gestartet, um die Entwicklung von Standards für die AM-Branche zu unterstützen. Im Jahr 2019 wurde eine neue Finanzierungsrunde gestartet, von der dieselben Institutionen und ihre Forschung profitieren, wobei Singapurs National Additive Manufacturing Innovation Cluster (NAMIC) hinzugekommen ist.

3D-Druckstandards für Metallpulver Bettfusion

2018 hat das ASTM-Komitee F42 einen Standard herausgegeben, um den Einsatz von Metallpulverbett-Fusionsverfahren (PBF) zu erhöhen.

Der Standard, bekannt als F3303, ist auf Metall ausgerichtet Additive Fertigung für Medizin, Luft- und Raumfahrt und andere Sektoren. Es beschreibt Schritte zur Qualifizierung von Maschinen und Prozessen basierend auf SLM-, EBM- und DMLS-Technologien. Sicherzustellen, dass AM-Schritte fest und wiederholbar sind, könnte dazu beitragen, viele der Herausforderungen zu überwinden, die mit der Anwendung und Zulassung von 3D-gedruckten Metallteilen verbunden sind.

Derzeit liegt der Hauptfokus von ASTM auf der Entwicklung eines Standards für SLM Technologie, das derzeit beliebteste Metall-3D-Druckverfahren.

Zusätzlich zu ASTM hat die Metal Powder Industries Federation (MPIF) vor kurzem neun MPIF-Standardtestmethoden zur Charakterisierung von Metall-AM-Pulvern herausgegeben.

An Konstrukteure, Hersteller und Anwender gerichtet von AM-Metallteilen ist diese Kollektion ein weiteres Zeichen dafür, dass die Industrie die wachsende Rolle des 3D-Metalldrucks in der Fertigungswelt anerkennt.

Standardisierung des 3D-Drucks für die Luft- und Raumfahrt

Um die Standardisierung in der Metall-AM für die Luft- und Raumfahrt zu bewältigen, hat die globale Vereinigung für technische Standards SAE International kürzlich vier neue PBF-Standards herausgegeben.

Die neue Standard-Suite für Aerospace Material Specifications (AMS) unterstützt die Zertifizierung kritischer Flugzeug- und Raumfahrzeugteile und deckt Materialspezifikationen für Nickellegierungen und Prozessanforderungen für den 3D-Druck mit Metallpulvern ab.

SAE hat jedoch nicht damit aufgehört. Vor kurzem hat die Organisation im vergangenen Jahr auch die ersten AM-Polymerspezifikationen für die Luft- und Raumfahrtindustrie herausgegeben. Zum Beispiel legt die AMS7100-Spezifikation die kritischen Kontrollen und Anforderungen fest, um zuverlässige, wiederholbare und reproduzierbare Luft- und Raumfahrtteile durch Fused Deposition Modeling (FDM®) oder andere Materialextrusionsproduktion herzustellen.

Das F42-Komitee von ASTM International entwickelt ebenfalls 4 zusätzliche Standards, die den Herstellern von Flugzeugteilen helfen, die Sicherheits- und Leistungsanforderungen zu erfüllen. Die Standards decken Ausgangsmaterialien, Fertigteileigenschaften, Systemleistung und -zuverlässigkeit sowie Qualifizierungsprinzipien ab.

Die Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC)

Die Entwicklung geeigneter Standards ist ein wichtiger Faktor für die allgemeine Einführung der additiven Fertigung. Allerdings ist ein konsequenter Ansatz für diese Entwicklung erforderlich, um ein schnelleres Branchenwachstum zu ermöglichen.

Angesichts dieses Bedarfs haben  America Makes, das US Additive Manufacturing Innovation Institute und das American National Standards Institute (ANSI) hat sich zusammengeschlossen, um die Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC) zu gründen.

AMSC hat seit 2016 zwei Versionen seiner Standardization Roadmap for Additive Manufacturing veröffentlicht. Die Roadmap dient dazu, Standards (anerkannt und in Entwicklung) zu identifizieren, Lücken zu bewerten und prioritäre Bereiche für zusätzliche F&E und Standardisierung zu bestimmen. Mehr als 300 Personen aus 175 verschiedenen Organisationen des öffentlichen und privaten Sektors unterstützten die Entwicklung der zweiten Version der Roadmap, die im Juli 2018 veröffentlicht wurde.

Die Roadmap von AMSC bietet eine Momentaufnahme der aktuellen Normenlandschaft für industrielle Additive Herstellung. Interessanterweise werden 93 Lücken identifiziert, von denen 18 als hohe Priorität für die Entwicklung weiterer Standards angesehen werden. Zu den Lücken zählen die Notwendigkeit, eine Richtlinie zu erstellen, um die Kompromisse zwischen additiven und subtraktiven Technologien aufzuzeigen, sowie prozessspezifische Designrichtlinien.

Ende 2019 haben America Makes und ANSI auch ein Online-Portal zur Verfolgung der Standardisierungsaktivitäten in AM gestartet

Obwohl es für AM unerlässlich ist, Standardisierungslücken zu verfolgen und schließlich zu schließen Interessengruppen, die das Potenzial additiver Technologien für die Produktion erschließen möchten.

Die Bedeutung der Zusammenarbeit

Industrielle Zusammenarbeit und Partnerschaften waren wirksame Mechanismen in der additiven Fertigung, und die Entwicklung von Standards ist keine Ausnahme. Die Förderung der Zusammenarbeit bietet eine hervorragende Gelegenheit, das industrielle AM-Know-how zu nutzen, das dazu beitragen kann, die Reichweite von 3D-Druckstandards für die Industrie zu erweitern.

• Die SLM Solutions Group hat sich beispielsweise mit dem Deutschen Institut für Normung (DIN) zusammengetan, um dessen neu gegründeten Lenkungsausschuss für Additive Fertigung zu unterstützen. Durch seine technologische Expertise zielt SLM Solutions darauf ab, die wirtschaftliche Rentabilität des Metall-3D-Drucks zu beschleunigen.

• Die Zusammenarbeit zwischen Oerlikon und Boeing soll auch Standards für den 3D-Metalldruck entwickeln. Die Partnerschaft zielt auf den Einsatz von AM in der Luft- und Raumfahrt und in der Verteidigung ab und konzentriert sich auf die Standardisierung von Materialien und Prozessen für den 3D-Metalldruck auf Pulverbasis von Strukturbauteilen aus Titan.

• Im letzten Monat investierte ASTM International 300.000 US-Dollar in Forschungsprojekte innerhalb des Additive Manufacturing Center of Excellence, die auf vier Hauptbereiche abzielen, darunter Rohstoffe, Prozessqualifizierung, Nachbearbeitung und Tests.

• Die Einführung des Additive Manufacturing Center of Excellence in diesem Sommer ist auch ein weiterer Meilenstein für die Branche. Die neue Einrichtung, die von ASTM International in Zusammenarbeit mit der Auburn University, der NASA, dem EWI und dem in Großbritannien ansässigen Manufacturing Technology Centre (MTC) gegründet wurde, konzentriert sich auf die Überbrückung von F&E und Standardisierung, um wichtige Branchenlücken zu schließen.

Während MTC Standards zur Bewertung von Qualität und Recyclingfähigkeit von Metallpulvern entwickelt, konzentrieren sich die NASA-Forscher auf Spezifikationen für laserbasierte Maschinen und Prozesse. Das EWI wird die Nachbearbeitung untersuchen, um die Standardisierung von Oberflächenqualität und Messmetriken zu unterstützen. Schließlich wird die Auburn University für die Erforschung mechanischer Testprobleme in der Metall-AM verantwortlich sein, um Richtlinien für die Konstruktion von Proben zum Testen von 3D-gedruckten Teilen zu erstellen.

Mit einer Reihe wichtiger Interessenvertreter der Branche unter einem Dach könnte diese Zusammenarbeit für die Branche bahnbrechend sein.

Standardisierung:Die Zukunft des 3D-Drucks gestalten

„Es wäre für alle Interessengruppen und Mitgliedsgruppen unglaublich vorteilhaft, wenn die Branche insgesamt bessere Standards hätte, Standards, die allgemein verstanden und akzeptiert werden. Mit Standards können Unternehmen Äpfel mit Äpfeln vergleichen und intelligente Entscheidungen treffen, die in einem umfassenden Ökosystem von Lieferanten, Herstellern und Anwendern umgesetzt werden können.“

Avi Reichental, Gründer von XponentialWorks

Während der 3D-Druck seinen Vorstoß in die industrielle Fertigung fortsetzt, wird die allgemeine Akzeptanz der Technologie durch Herausforderungen in Bezug auf die Teilequalität, Konsistenz und Zertifizierung behindert. Standardisierung kann dazu beitragen, einige der dringendsten dieser Herausforderungen anzugehen.

Um sicherzustellen, dass die additive Fertigung auf dem Weg zur Mainstream-Einführung fortgesetzt wird, müssen Standards und Richtlinien festgelegt werden. Gleichzeitig werden solche Entwicklungen jedoch Zeit brauchen, möglicherweise sogar mehrere Jahre.

Aber die Vorteile liegen auf der Hand:Klare Standards werden den Einsatz des 3D-Drucks in der Produktion vorantreiben, indem sie eine gemeinsame Terminologie, effiziente Tests und einheitliche Materialien und Prozesse fördern.