Nieuwe normen voor kwalificatie van additive manufacturing

Additive manufacturing doet geleidelijk aan zijn intrede in de industriële serieproductie, in het bijzonder in sectoren zoals de medische sector, de ruimtevaart, de vliegtuigbouw en recentelijk zelfs de automobiel. De snelle technologische ontwikkeling heeft de industrie gedwongen om haar eigen normen en specificaties voor productie en kwalificatie uit te werken.

Normen: nog altijd complex maar wel nuttig

De technologieën zijn over het algemeen nog niet echt matuur terwijl een rigoureuze methodologie om machines te kwalificeren van essentieel belang is om door te breken in de massaproductie. Er zijn nog niet veel normen, richtlijnen of aanbevelingen om op te steunen.

De kwalificatie- en certificatieprocedures zijn dan ook nodeloos ingewikkeld, lang en duur voor alle partijen. Niettemin identificeren en analyseren ze de risico's die verband houden met de nieuwe technologieën en leveren ze het bewijs dat die technologieën geschikt zijn voor het beoogde gebruik. Daarnaast spelen ze ook een belangrijke rol om de betrouwbaarheid, de doeltreffendheid en de reproduceerbaarheid van de technieken te verbeteren.

De snelle ontwikkeling van additive manufacturing heeft bepaalde sectoren gedwongen om hun eigen normen en specificaties voor productie en kwalificatie uit te werken. Tot nu toe omvatten die methodologieën een kwalificatie van de installatie (IQ), een operationele kwalificatie (OQ) en een kwalificatie van de prestaties (PQ) van de machine. De vereiste documenten bevatten gedetailleerde specificaties van de gebruikte materialen en toegepaste procedés en werkinstructies, waarbij het min of meer kritieke karakter van het onderdeel bepaalt hoe streng de eisen zijn.

Om die specificaties te definiëren, maken opdrachtgevers een grondige studie van de procedés binnen hun R&D-afdeling, met name om inzicht te krijgen in de risico's en beperkingen ervan en om operationele strategieën, methodes voor monsterneming, testtechnieken (met inbegrip van niet-destructieve technieken) en de vereisten m.b.t. de operatoren te bepalen.

Additive manufacturing vs. conventionele fabricage

Op de kwaliteit van een product dat is vervaardigd door toevoeging van materiaal moet op een andere manier worden toegezien dan bij conventionele fabricage. Omdat geleidelijk materiaal wordt toegevoegd om een onderdeel te vervaardigen zijn de eigenschappen van het materiaal waaruit het onderdeel bestaat sterk afhankelijk van het type machine en van de parameters van het procedé. Het is nog niet mogelijk om de uiteindelijke eigenschappen van het materiaal nauwkeurig te voorspellen los van een machine en een set fabricageparameters.

Bovendien veroorzaakt fabricage in lagen anisotropie van de materiaaleigenschappen. De oriëntatie van het onderdeel en de positie ervan in het fabricagevolume spelen dan ook een belangrijke rol. Daarom moet elke fase van het procedé duidelijk worden gedefinieerd: de keuze van het ontwerp, de oriëntatie van het onderdeel en de toevoeging van geschikte steunen kunnen de reproduceerbaarheid bij de productie van grote reeksen beïnvloeden. Structuurgebreken kunnen punctueel of in iedere laag van het onderdeel voorkomen. In complexe 3D-vormen kunnen die gebreken heel moeilijk te detecteren zijn voordat ze zich ontwikkelen tot grotere gebreken bij het gebruik. Er zijn dan ook aangepaste controletechnieken vereist.

Informatie die gevolgen heeft voor de kwaliteit van het product moet in elke fase van het additieve procedé worden verzameld en geanalyseerd. Ondernemingen organiseren hun eigen testcampagnes om de integriteit van hun producten en procedés te garanderen. Certificatie van afzonderlijke onderdelen staat echter haaks op een industriële-productievisie waarbij additieve technieken worden aangewend om onderdelen op verzoek te fabriceren. Deze dure en tijdrovende tests ontmoedigen echter een ruimere toepassing van additieve technieken, wat aantoont dat er behoefte is aan de ontwikkeling van normen vanaf het ontwerp van het onderdeel tot de operationele fabricage.

Uitdagingen van kwalificatie in additive manufacturing

Enkele van de grootste uitdagingen m.b.t. de kwalificatie van additieve procedés zijn:

  • gebrek aan informatie over de eigenschappen van het materiaal en gebrek aan ervaring en wetenschappelijke kennis m.b.t. de procedés
  • moeilijkheid om de specifieke risico's van die procedés te beoordelen
  • anisotropie en heterogeniteit van de eigenschappen van de verkregen onderdelen
  • gebrek aan reproduceerbaarheid van de procedés en moeilijkheid om een adequate en betrouwbare kwaliteitscontrole op te zetten.

Internationale normalisatie-instellingen zoals de ISO en de ASTM werken samen aan de ontwikkeling van specifieke normen voor de additive manufacturing-sector in de technische commissies ISO/TC 261 en ASTM F42. Ze hebben het gebrek aan kwalificatiemethodologie voor additive manufacturing heel goed onderkend en focussen al verscheidene maanden op de ontwikkeling van operationele normen m.b.t. dit specifieke onderwerp. Hierna volgt een niet-exhaustief overzicht (aangezien er voortdurend nieuwe ontwikkelingen zijn) van de laatste werkzaamheden die worden besproken m.b.t. de kwalificatie en de evaluatie van de prestaties van additieve procedés.

ISO/ASTM DIS 52924  Additive manufacturing - Qualification principles - Classification of part properties for additive manufacturing of polymer parts

In dit document worden klassen van eigenschappen bepaald van door materiaaltoevoeging gefabriceerde polymeeronderdelen met het oog op een gemeenschappelijke perceptie van hun kwaliteit. Die klassen zijn gebaseerd op mechanische eigenschappen, dichtheid en maatnauwkeurigheid. Het document is voornamelijk van toepassing op thermoplastische polymeren die worden vormgegeven door lasersintering (PBF-LB/P) of materiaalextrusie (MEX). Er is ook een methodologie voor het meten van die eigenschappen gespecificeerd om te bepalen tot welke klasse de met het beschouwde procedé en materiaal gefabriceerde onderdelen behoren. Zo kunnen ontwerpers van onderdelen evenals inkopers en dienstverleners op een genormaliseerde manier het vereiste niveau van de eigenschappen van de gewenste en/of gefabriceerde onderdelen specificeren.
 
ISO/ASTM DIS 52925  Additive manufacturing - Qualification principles – Laser sintering of polymer parts/laser-based powder bed fusion of polymer parts - Qualification of materials

In dit document worden de specifieke parameters bepaald en aanbevelingen verstrekt voor de kwalificatie van polymeermaterialen met het oog op lasersintering, in het bijzonder m.b.t. polyamiden 11 en 12. Er wordt een reeks genormaliseerde tests aangereikt voor de karakterisering van nieuw en gebruikt poeder evenals voor mengelingen van nieuw en gerecycled poeder.

ISO/ASTM NP 52926-1  Additive manufacturing - Qualification principles - Qualification of machine operators for metallic parts production

Deze ontwerpnorm specificeert de vereisten m.b.t. de kwalificatie van personeel in productiecentra waarin additieve procedés op metaal worden toegepast. Los van het beschouwde procedé worden algemene criteria bepaald voor de kwalificatie van machineoperatoren: gezichtstest en theoretische en praktische evaluatie. Er wordt een voorbeeld van kwalificatiecertificaat aangereikt.

ISO/ASTM NP 52926-2  Additive manufacturing - Qualification principles - Qualification of machine operators for metallic parts production for PBF-LB

Deze ontwerpnorm bepaalt specifieke eisen voor de kwalificatie van operatoren van machines en apparatuur voor laserfusie in metaalpoederbed (PBF-LB/M), behalve voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart, waarvoor een specifieke norm bestaat (ISO/ASTM 52942 Additive manufacturing - Qualification principles - Qualifying machine operators of laser metal powder bed fusion machines and equipment used in aerospace applications). Er worden theoretische en praktische evaluatiecriteria voorgesteld die worden onderverdeeld in vijf verschillende thema's m.b.t. de productie van onderdelen met deze technologie: algemeen, controle van het materiaal, controle van de apparatuur, interne procedures en inspectie.

ISO/ASTM NP 52926-3  Additive manufacturing - Qualification principles - Qualification of machine operators for metallic parts production for EBM

Deze ontwerpnorm bepaalt specifieke eisen voor de kwalificatie van operatoren van machines en apparatuur voor fusie d.m.v. een elektronenbundel in metaalpoederbed (PBF-EB/M). Er worden theoretische en praktische evaluatiecriteria voorgesteld die worden onderverdeeld in vijf verschillende thema's m.b.t. de productie van onderdelen met deze technologie: algemeen, controle van het materiaal, controle van de apparatuur, interne procedures en inspectie.

ISO/ASTM NP 52926-4  Additive manufacturing - Qualification principles - Qualification of machine operators for metallic parts production for DED-LB

Deze ontwerpnorm bepaalt specifieke eisen voor de kwalificatie van operatoren van machines en apparatuur voor gerichte-energiedepositie d.m.v. een laserbundel (DED-LB). Er worden theoretische en praktische evaluatiecriteria voorgesteld die worden onderverdeeld in vijf verschillende thema's m.b.t. de productie van onderdelen met deze technologie: algemeen, controle van het materiaal, controle van de apparatuur, interne procedures en inspectie.

ISO/ASTM NP 52926-5  Additive manufacturing - Qualification principles - Qualification of machine operators for metallic parts production for DED-Arc

Deze ontwerpnorm bepaalt specifieke eisen voor de kwalificatie van operatoren van machines en apparatuur voor gerichte-energiedepositie d.m.v. een boog (DED-Arc). Er worden theoretische en praktische evaluatiecriteria voorgesteld die worden onderverdeeld in vijf verschillende thema's m.b.t. de productie van onderdelen met deze technologie: algemeen, controle van het materiaal, controle van de apparatuur, interne procedures en inspectie.

ISO/ASTM NP 52930  Additive manufacturing - Guideline for Installation - Operation - Performance Qualification (IQ/OQ/PQ) of laser-beam powder bed fusion equipment for production manufacturing

Dit document beschrijft de procedure voor de kwalificatie van de installatie (IQ), de operationele kwalificatie (OQ) en de kwalificatie van de prestaties (PQ) van een additieve machine en de bijbehorende uitrusting. Daarin worden de basisprincipes van de kwaliteitsborging uiteengezet evenals de verschillende elementen van het validatie- en hervalidatieproces.

ISO/ASTM NP 52935  Additive Manufacturing - Qualification principles – Qualification of coordinators for metallic parts production

Dit document specificeert de eisen voor de kwalificatie van personeel dat de functie van coördinator van de productie door middel van materiaaltoevoeging in industriële productiecentra vervult. De AM-coördinator is verantwoordelijk voor het omzetten van de productvereisten naar fabricagevereisten waarbij, naast het ontvangen 3D-bestand, wordt nagegaan of de informatie over het onderdeel volledig is.

  • waarbij wordt nagegaan of het onderdeel kan worden gefabriceerd zoals gespecificeerd en waarbij het meest geschikte fabricageprocedé wordt gekozen.
  • waarbij de follow-up van de fabricagekwaliteit wordt verzekerd.

De voorgestelde theoretische en praktische evaluatiecriteria worden onderverdeeld in negen verschillende thema's m.b.t. de productie van - meer in het bijzonder metalen - onderdelen door additive manufacturing: algemeen, procedés voor AM van metaal, selectie van het procedé, fabricagevereisten, integratie van de productie, controle van het materiaal, afwerking achteraf, inspectie en coördinatieactiviteiten.

ISO/ASTM NP 52936-1  Additive manufacturing - Qualification principles - Laser-based powder bed fusion of polymers - Part 1: General principles, preparation of test specimenss

In dit document worden de algemene principes bepaald die moeten worden gevolgd bij de fabricage d.m.v. laserfusie in poederbed (PBF-LB/P) van monsters in thermoplastische materialen. Het biedt een basis voor het vaststellen van reproduceerbare sintercondities en heeft als doel om enige uniformiteit te bevorderen in de beschrijving van de parameters van het procedé, de oriëntatie van de onderdelen en de sinterstrategie evenals in de rapportering van de sintercondities.

De specifieke condities die vereist zijn voor de reproduceerbare productie van monsters zullen afhangen van het gebruikte materiaal. Die condities zullen in onderlinge overeenstemming tussen de belanghebbende partijen worden bepaald.
 
Meer informatie is verkrijgbaar bij de normenantenne 'Additive Manufacturing' van Sirris.

Contactpersonen: Bruno.Verlee@sirris.be - Laurent.Voets@sirris.beDirkDeMoor@agoria.be