Digitale Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung
Vernetzte Fertigungs- und Prüfdaten für sichere Bauteile und effizientere Qualitätsprozesse
Das Einsparpotenzial digitaler Qualitätssicherung:
Bis zu 48 % der Stückkosten in der Additiven Fertigung entstehen aufgrund von Dokumentationsaufwand in der Qualitätssicherung. Davon ist ein Großteil manueller Aufwand (bis zu 38% der Stückkosten).
Unser Reallabor für die additive Fertigung hat als weltweit erste Forschungseinrichtung eine Zertifizierung für die Qualitätssicherung nach ISO/ASTM 52920 erhalten.
Die Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer metallischer Bauteile, beispielsweise für die Luft- und Raumfahrt. Gerade bei sicherheitsrelevanten Anwendungen ist die Qualitätssicherung jedoch mit hohem Aufwand verbunden: Fertigungsprozesse müssen überwacht, Bauteile geprüft und Qualitätsanforderungen nachvollziehbar dokumentiert werden.
Im Rahmen von QI-Digital entwickelt und erprobt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) deshalb neue Ansätze für eine digital vernetzte Qualitätssicherung. Im Reallabor Additive Fertigung werden Maschinen-, Prozess- und Prüfdaten strukturiert zusammengeführt, um Qualitätsbewertungen zu verbessern, Dokumentationsprozesse zu vereinfachen und digitale Qualitätsnachweise vorzubereiten.
Durch automatisierte Datenflüsse und standardisierte Schnittstellen können manuelle Arbeitsschritte reduziert und Qualitätsinformationen effizienter genutzt werden. Das eröffnet insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen neue Möglichkeiten, additive Fertigungsverfahren wirtschaftlich einzusetzen.
Hoher Aufwand für die Qualitätssicherung
Bei der Additiven Fertigung entstehen Bauteile schichtweise auf Grundlage digitaler Konstruktionsdaten. Das Verfahren ermöglicht große geometrische Freiheiten und die Herstellung komplexer Strukturen. Gleichzeitig stellen die zahlreichen Einflussgrößen während des Fertigungsprozesses hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung.
Insbesondere in hochregulierten Branchen wie der Luft- und Raumfahrt müssen die Eigenschaften sicherheitsrelevanter Bauteile zuverlässig nachgewiesen werden. Nach Abschätzungen auf Grundlage von Angaben aus der Industrie kann die Qualitätssicherung bei komplexen metallischen AM-Bauteilen in der Luftfahrt bis zu 80 % der Stückkosten ausmachen.
Während der Fertigung entstehen umfangreiche Maschinen-, Prozess- und Sensordaten. Hinzu kommen Ergebnisse aus zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfungen. Diese Informationen liegen häufig in unterschiedlichen Systemen und Formaten vor. Ihre Zusammenführung, Auswertung und Dokumentation erfordert entsprechend viel manuellen Aufwand.
Die zentrale Herausforderung besteht darin, diese Daten durchgängig nutzbar zu machen und damit die Qualitätssicherung effizienter, nachvollziehbarer und stärker automatisiert zu gestalten.
Qualitätsdaten erfassen, verknüpfen und auswerten
Ein zentraler Forschungsansatz der BAM ist die Entwicklung einer digital vernetzten Prozesskette für die Additive Fertigung. Dabei sollen qualitätsrelevante Informationen aus der Herstellung und Prüfung eines Bauteils automatisiert erfasst, strukturiert zusammengeführt und für weitere Auswertungen verfügbar gemacht werden.
Eine wesentliche Rolle spielt die sogenannte ETL-Pipeline (Extract, Transform, Load). Sie ermöglicht es, Daten aus der Fertigungsanlage abzurufen, aufzubereiten und in einem Datencontainer zu speichern. Die Informationen werden dabei unterschiedlichen Ebenen des Fertigungsprozesses zugeordnet – beispielsweise der Maschine, dem Bauauftrag, einzelnen Schichten oder dem jeweiligen Bauteil.
Ergänzt werden diese Daten durch Informationen aus der prozessbegleitenden Überwachung sowie aus zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfungen. Die räumliche und zeitliche Registrierung unterschiedlicher Datenquellen ermöglicht es, Zusammenhänge zwischen Fertigungsbedingungen und Bauteileigenschaften systematisch zu untersuchen.
Die entstehende Datenbasis schafft zugleich die Voraussetzungen, um qualitätsrelevante Prozessmerkmale zu identifizieren und automatisierte sowie KI-gestützte Bewertungsverfahren weiterzuentwickeln.
Zentrale Bausteine des Forschungsansatzes
- Automatisierte Datenerfassung:Maschinen- und Prozessdaten werden über digitale Schnittstellen erfasst und strukturiert bereitgestellt. Dadurch können Informationen aus unterschiedlichen Ebenen des Fertigungsprozesses systematisch verarbeitet werden.
- Bauteilbezogene Datencontainer:Fertigungs-, Sensor- und Prüfdaten werden in einer gemeinsamen Datenstruktur zusammengeführt. Qualitätsrelevante Informationen können so einem Bauteil zugeordnet und für weitere Analysen bereitgestellt werden.
- Datenbasierte Qualitätsbewertung: Die Verknüpfung unterschiedlicher Datenquellen ermöglicht die Untersuchung qualitätsrelevanter Prozessmerkmale. Darauf aufbauend werden Verfahren zur automatisierten Erkennung von Qualitätsabweichungen weiterentwickelt.
- Digitale Qualitätsnachweise:Standardisierte Datenstrukturen bilden die Grundlage, um Qualitätsinformationen künftig maschinenlesbar für digitale Prüfberichte, Audits und weitere Nachweisprozesse bereitzustellen.
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Das BAM-Reallabor: Forschung unter praxisnahen Bedingungen
Im Reallabor Additive Fertigung untersucht die BAM, wie sich die entwickelten digitalen Verfahren mit realen Fertigungs- und Prüfprozessen verbinden lassen. Das Reallabor ist in die Forschungsaktivitäten des Kompetenzzentrums Additive Fertigung AM@BAM eingebunden.
Zum Einsatz kommen unter anderem das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) und das lichtbogenbasierte Auftragsschweißen (DED-Arc). Die Forschungsarbeiten verbinden additive Fertigungsverfahren mit Methoden der Prozessüberwachung, Datenverarbeitung und Bauteilprüfung.
Im Mittelpunkt stehen folgende Bereiche:
- Additive Fertigungsverfahren:Die Herstellung metallischer Bauteile bildet die experimentelle Grundlage für die Untersuchungen. Unterschiedliche Fertigungsbedingungen und Prozessparameter ermöglichen es, Zusammenhänge zwischen Herstellungsprozess und Bauteilqualität zu erforschen.
- Datenregistrierung und Datenfusion: Maschinen-, Sensor- und Prüfdaten werden erfasst und miteinander verknüpft. Ein Schwerpunkt liegt auf der gemeinsamen räumlichen und zeitlichen Registrierung unterschiedlicher Datenquellen, um Informationen aus verschiedenen Phasen der Fertigung und Prüfung zusammenzuführen.
- Bauteilprüfung und Validierung: Mithilfe zerstörender und zerstörungsfreier Prüfverfahren werden die Eigenschaften der gefertigten Bauteile untersucht. Die Prüfergebnisse dienen dazu, Zusammenhänge zwischen Fertigungsdaten und Bauteilqualität zu analysieren und datenbasierte Bewertungsmethoden weiterzuentwickeln.
Das Reallabor Additive Fertigung bietet eine experimentelle Umgebung, in der gemeinsam mit Partnern aus Forschung und Industrie digitale Methoden und Werkzeuge zur Qualitätssicherung entwickelt, erprobt und weiterentwickelt werden. Im Mittelpunkt stehen dabei unter anderem Smart Standards, digitale Kalibrierscheine (DCC), digitale Prüfberichte und der Digitale Produktpass (DPP). Ziel ist es, Qualitätssicherungsprozesse in der additiven Fertigung effizienter, transparenter und stärker automatisiert zu gestalten. Das Reallabor ist Teil des Anwendungsfalls Additive Fertigung der Plattform QI-Digital.
Beteiligungsmöglichkeiten
- Kostenneutrale Kooperationen, Beauftragungen oder Beratung
- Einbringen industrieller Anforderungen an die digitale Qualitätssicherung
- Erprobung kritischer Bauteilgeometrien
- Erprobung individueller Prozessparameter und Scanstrategien
- Entwicklung und Erprobung von Methoden zur Datenregistrierung und Datenfusion
- Experimentelle Validierung von Simulationen
Ergebnisse und wirtschaftlicher Nutzen
Die Qualitätssicherung ist ein wesentlicher Kostenfaktor in der Additiven Fertigung. Besonders in sicherheitskritischen Anwendungen entstehen hohe Aufwände für Prüfung, Dokumentation und Nachweisführung. Die Erfassung, Auswertung und Dokumentation von Fertigungs- und Prüfdaten ist bislang mit erheblichem manuellem Aufwand verbunden.
Genau hier liegt ein entscheidender Hebel für die Automatisierung und Kostensenkung.
Durch die digitale Vernetzung von Fertigungs-, Sensor- und Prüfdaten sowie standardisierte Schnittstellen können bislang manuelle Arbeitsschritte automatisiert, Medienbrüche vermieden und Qualitätsinformationen effizienter verarbeitet werden.
Die vorliegenden Abschätzungen verdeutlichen das wirtschaftliche Potenzial:
- Bis zu 48 % weniger Dokumentationsaufwand in der Qualitätssicherung.
- Bis zu 38 % Einsparpotenzial durch die Digitalisierung und Automatisierung von Qualitätssicherungsprozessen.
Der Nutzen geht damit weit über eine reine Zeitersparnis hinaus: Automatisierte Datenflüsse können die Kosten der Qualitätssicherung senken, die Rückverfolgbarkeit verbessern und die Grundlage für effizientere Prüf- und Freigabeprozesse schaffen.
Insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen kann dies ein entscheidender Schritt sein, um die Additive Fertigung wirtschaftlicher und wettbewerbsfähiger einzusetzen.
Von der Forschung in die industrielle Anwendung
Damit die entwickelten Lösungen über das Reallabor hinaus genutzt werden können, bringt die BAM ihre Forschungsergebnisse in internationale Normung, standardisierte Datenmodelle und industrielle Kooperationsprojekte ein.
Internationale Normung: ISO/ASTM 52970
Ein Schwerpunkt ist die Standardisierung des Datenflusses zwischen PBF-LB/M-Fertigungsanlagen und Datencontainern.
Im Rahmen der internationalen Normungsarbeiten zu ISO/ASTM 52970 arbeitet die BAM an einer einheitlichen Grundlage für die strukturierte Bereitstellung von Fertigungsdaten. Die Arbeiten erfolgen im zuständigen Normungsgremium ISO/TC 261/WG 85 unter Leitung der BAM.
Standardisierte Datenflüsse sollen die automatisierte Erfassung und Weiterverarbeitung von Qualitätsinformationen erleichtern und die Abhängigkeit von individuellen Schnittstellen verringern.
Von der digitalen Prozesskette zur interoperablen Qualitätsdokumentation: Die Verwaltungsschale (AAS) verknüpft standardisierte Daten aus der additiven Fertigung und schafft damit eine Grundlage für den Digitalen Produktpass.
Digitale Zwillinge: IDTA-Teilmodell 02033-1
Ein weiterer Schwerpunkt ist die Überführung der entwickelten Datenstrukturen in standardisierte Modelle für digitale Zwillinge.
Hierzu beteiligt sich die BAM an den Arbeiten der Industrial Digital Twin Association (IDTA). Das Teilmodell 02033-1 soll dazu beitragen, qualitätsrelevante Informationen additiv gefertigter Bauteile innerhalb einer Verwaltungsschale (Asset Administration Shell, AAS) interoperabel bereitzustellen.
Langfristig sollen standardisierte Teilmodelle unterschiedliche Schritte der additiven Prozesskette abbilden – vom Ausgangsmaterial über die Fertigung und Nachbearbeitung bis zur Prüfung.
Damit werden Grundlagen für eine durchgängige digitale Qualitätsdokumentation geschaffen.
Industrielle Kooperation: Forschungsprojekt SONRISA
Wie die entwickelten Methoden für konkrete industrielle Anforderungen weiterentwickelt werden, zeigt das Luftfahrtforschungsprojekt SONRISA.
In dem von Oktober 2025 bis März 2029 laufenden Projekt wird die multimodale digitale Qualitätsbewertung von additiv gefertigten Luftfahrtkomponenten untersucht.
Ein Schwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung des Datencontainers und der Auswertungsverfahren für die Anforderungen der Luftfahrt. Ziel ist es, qualitätskritische Bereiche eines Bauteils anhand digitaler Fertigungs- und Prüfdaten gezielter zu identifizieren und dadurch beispielsweise computertomografische Prüfungen auf auffällige Bauteilbereiche zu konzentrieren.
So sollen digitale Verfahren zur Qualitätssicherung für industrielle Anwendungen weiterentwickelt und hinsichtlich ihrer praktischen Nutzbarkeit untersucht werden.
Von der digitalen Fertigung zur vernetzten Qualitätsinfrastruktur
Die Forschungsarbeiten im Reallabor schaffen Grundlagen für eine Qualitätssicherung, bei der Informationen nicht mehr ausschließlich in getrennten Systemen und statischen Dokumenten vorliegen, sondern strukturiert, maschinenlesbar und entlang industrieller Prozesse genutzt werden können.
Perspektivisch lassen sich die entwickelten Ansätze mit weiteren digitalen Werkzeugen der Qualitätsinfrastruktur verbinden. Dazu gehören beispielsweise Smart Standards zur digitalen Bereitstellung von Normanforderungen, digitale Kalibrierscheine zur Absicherung von Messinformationen sowie überprüfbare digitale Prüfberichte und Zertifikate.
Standardisierte Datenmodelle und vertrauenswürdige Datenräume könnten künftig ermöglichen, dass Hersteller, Zulieferer, Prüflabore und Kunden qualitätsrelevante Informationen gezielt und unter Wahrung der Datenhoheit austauschen.
Auch die Einbindung in digitale Produktpässe ist eine mögliche Perspektive.
Das langfristige Ziel ist eine durchgängige, vertrauenswürdige Qualitätsinfrastruktur, in der Qualitätsinformationen direkt in industrielle Fertigungs-, Prüf- und Freigabeprozesse eingebunden werden können.
Zusammenarbeit und Kontakt
Die BAM entwickelt die Ansätze zur digitalen Qualitätssicherung in enger Verbindung mit industriellen Anforderungen und internationalen Standardisierungsaktivitäten weiter. Unternehmen und Forschungspartner können sich mit eigenen Anwendungsfällen, Anforderungen und Fragestellungen an den Arbeiten beteiligen.
Ansprechpersonen:
Dr.-Ing. Kai Hilgenberg
kai.hilgenberg@bam.de
Dr.-Ing. Martin Epperlein
martin.epperlein@bam.de
Die BAM ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehörde
im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie.
