Experteninterview: James Hinebaugh von Expanse Microtechnologies

Die Material- und Teileprüfung sind ein wichtiger Schritt des additiven Fertigungsprozesses – und sind jedoch nicht ohne Herausforderungen. Insbesondere bei Anwendungen in der Luftfahrt-, Medizin- oder Automobilindustrie ist es entscheidend, dass ein Teil perfekt und ohne versteckte Mängel gefertigt ist. Probleme wie Porosität, Hohlräume und Einschlüsse, insbesondere bei Metallteilen, können jedoch leicht den Unterschied zwischen einem erfolgreichen oder fehlgeschlagenen Druck ausmachen. Zwar gibt es mehrere Methoden, um die Qualität von Materialien und Teilen zu überprüfen, aber nur wenige sind in der Lage, Probleme tief im Bauteil selbst zu erkennen.
 
Röntgen durch CT-Scanning-Technologie kann die Lösung für die Inspektion von Materialien und Teilen in der additiven Fertigung sein. Expanse Microtechnologies ist ein Unternehmen, das Herstellern dabei hilft, ihre Materialien, Teile und Herstellungsprozesse für den 3D-Druck mit Hilfe der proprietären Microscale-Röntgen-CT-Technologie zu optimieren. Wir haben mit James Hinebaugh, Präsident und Mitbegründer von Expanse Microtechnologies, gesprochen, um zu erfahren, wie seine innovatives Technologieunternehmen helfen kann, diese Fertigungsprozesse zu perfektionieren.

 
Können Sie uns etwas über Expanse Microtechnologies erzählen?
 

Expanse Microtechnologies ist ein Unternehmen, das Herstellern hilft, Fragen zu ihren Materialien und Herstellungsprozessen zu beantworten. Wir verwenden modernste Inspektionstools, um kritische Fragen in der additiven Fertigung und anderen fortschrittlichen Fertigungsbereichen zu beantworten.
 
In dieser Industrie bestehen schnellebige Forschungsbedürfnisse, was bedeutet, dass nicht darauf gewartet werden kann, dass ein Forschungsabkommen mit einem akademischen Labor abgeschlossen wird. Expanse Microtechnologies überbrückt diesen Raum zwischen der Industrie und der Wissenschaft. Unser Ziel ist es, die Tools akademischer Labore für die Industrie zu gewinnen, insbesondere mit dem Fokus auf eine Technologie namens “Microscale-Röntgen-CT”.
 
Warum haben Sie sich entschieden, das Unternehmen mitzugründen?
 
Wir wurden von der additiven Fertigungsindustrie inspiriert. Wir sahen, dass die Industrie brennende Fragen hatte, und dennoch gab es keine großartigen Tools auf dem Markt, die den Unternehmen dabei halfen, diese Fragen zu beantworten und ihre Herstellungsprozesse zu optimieren. Für uns ist CT die Lösung – wir wollten unser CT-Know-how nutzen, es für den Bereich AM einsetzen und schnelle, aber sehr orientierte Lösungen anbieten, um Unternehmen bei der Beantwortung wichtiger Fragen zur Fertigung zu helfen.
 
Was ist Microscale-Röntgen-CT und wie funktioniert es?
 

Microscale-Röntgen-CT ermöglicht die Durchführung interner und externer 3D-Inspektionen von modernen Materialien und Teilen. Sie können auch eine fast endlose Anzahl geometrischer Merkmale und Fehlereigenschaften charakterisieren und bestimmen, wie gut das Teil gedruckt oder hergestellt wurde. Diese Art von Technologie hat ein enormes Lernbedürfnis. Aus diesem Grund gibt es nur sehr wenige Service-Büros, die CT-Dienste anbieten, und die meisten bieten Tools an die oft nicht kompatibel sind, oder die ihnen zur Verfügung stehen würden, wenn sie eine Beziehung mit einem akademischen Forschungslabor hätten.

 
Wir haben fortschrittliche Bildverarbeitungsverfahren entwickelt, um bestimmte Informationen aus 3D-Bildern zu extrahieren. Da diese Bilder mehrere Gigabyte groß sein können, ist es unsere Aufgabe, diese Informationen auf verdauliche Weise darzustellen, damit unsere Kunden klar erkennen können, wo ihre Probleme liegen.
 
Wir erzeugen einen Bericht aus dem CT-Scan, der Informationen auf höchster Ebene und den Zugriff auf tiefer gehende Daten bietet, so dass die Korrelationen zwischen den Punkten in Ihrem Teil und den Defekten sowie Form, Größe und Verteilung der Mängel finden können.
 
Warum ist Röntgen-CT so wichtig für den Herstellungsprozess?
 
CT-Scanning liefert eine dreidimensionale Reihe von Informationen, die auf keine andere Weise erreichbar sind. Ähnlich wie bei einem Mikroskop können Sie auf Mikron- und Submikronebene zoomen und wichtige Fragen beantworten. Darüber hinaus können Sie Fragen zu internen Merkmalen eines Teils beantworten, auf die sonst nicht zugegriffen werden kann, ohne das Teil zu zerstören.
 
Mit CT-Scan können Sie deutlich die Querschnitte Ihrer Teile oder Testartefakte sehen, die Sie hergestellt haben. Es ist, als könnten Sie Ihr Teil wiederholt in zwei Hälften schneiden, mit Scheiben, die nur einige Mikrometer voneinander entfernt sind.
 
Dies erzeugt eine Menge an dreidimensionaler Information, die wichtig ist um zu verstehen, was in Ihrem Teil vorgeht. Der alternative Ansatz besteht darin, nur einen physischen Querschnitt zu nehmen: aber hier müssen Sie erraten, wie es oberhalb und unterhalb der physischen Ebene aussieht, oder hoffen, dass dies eine repräsentative Ebene ist. Mit CT sehen Sie nicht nur diesen Querschnitt, sondern auch tausende andere Querschnitte und sehen wie der repräsentative Querschnitt tatsächlich beschaffen ist. Wir können auch die Korrelationen sehen: Wo es z. B. Porosität gibt, gibt es auch oft auch Oberflächendefekte, und wir können das auf die Parameter und den Build-weg zurückführen, die wir in den Druck gesteckt haben.
 
Können Sie erklären, wie sich Ihre Software von ähnlicher Software auf dem Markt unterscheidet?
 
Unsere Software ist maßgeschneidert. Das bedeutet, dass wir viel Freiheit haben, um unseren Ausgangspunkt und die Fragen zu bestimmen, die beantwortet werden müssen, damit wir das Problem aus jedem beliebigen Blickwinkel angehen können.
 

Ein Beispiel: Im Falle einer Oberflächenrauhigkeit entwickeln wir ein Tool, um einen CT-Scan zu machen, passen es allen Konturen und Materialien an die das Teil hat. Wir können dann eine Kontur finden, diese herausziehen und die Rauheit dieser Kontur messen. Andere Software-Pakete sind dazu derzeit nicht ausgerüstet, da die Anylyse einer CT-Oberflächenrauhigkeit nicht sehr stark gefragt ist – ausser in der additiven Fertigung. Wir konnten diesen Bedarf erkennen, wir haben darauf reagiert und ein Tool erstellt, das diese Fragen beantwortet. Wir brauchen zwei bis drei Entwicklungswochen, um einen wiederholbaren Prozess zu schaffen. Danach ist es anwendungsfähig.

 
Mit einem großen kommerziellen Softwarepaket unterliegen Sie zunächst den Druck des Marktes und benötigen die Gewissheit, dass genügend Potenzial auf dem Markt vorhanden ist, um ein benutzerfreundliches Analysepaket zu erstellen, das diese Fragen beantworten kann, bevor etwas entwickelt und veröffentlicht werden kann. Die Lieferzeit dafür dauert Monate, wenn nicht sogar Jahre, während es für uns nur ein paar Wochen dauert, um herauszufinden, wie eine Lösung erstellt basierend auf die spezifischen Bedürfnisse unserer Kunden implementiert werden kann.
 

Welchen Arten von Unternehmen helfen Sie?
 
Wir adressieren praktisch die gesamte Lieferkette der additiven Fertigung. Wir arbeiten beispielsweise mit Pulverherstellern zusammen, um Pulver zu identifizieren, um festzustellen, ob Porositäten vorliegen oder ob es interessante Formverteilungen und Größenverteilungen gibt, die für die Qualität und Festigkeit der Teile von entscheidender Bedeutung sind.
 
Im Fall von Maschinenherstellern möchten viele Unternehmen ihren aktuellen Maschinen bestimmte Merkmale hinzufügen, was die In-Prozess-Überwachung oder die lokale Kontrolle der Materialeigenschaften betrifft. Das erfordert viele iterative Tests. Aus diesem Grund entwickeln wir benutzerdefinierte Tools, damit sie bei Bedarf die wichtigen Metriken im Auge behalten können.
 
Wir arbeiten auch mit Servicebüros zusammen, die sich oft mit neuen Pulvern beschäftigen, neue Maschinen in Betrieb nehmen oder eine bessere Vorstellung davon haben wollen, wie die Druckwiederholbarkeit aussieht, woher die Porosität kommt und andere wichtige Fragen.
 
Schließlich haben wir Kunden, die versuchen, Produkte auf den Markt zu bringen, deren Herstellung nur durch additive Fertigung möglich ist. Das können beispielsweise Unternehmen sein, die medizinische Implantate herstellen – wir haben sogar einen Kunden, der versucht, ganze Raketen mit additiver Technologie zu drucken! Wir sind sehr daran interessiert, mit diesen Unternehmen zusammenzuarbeiten, denn sie sind es, denen wir die Zukunft wirklich enabeln wollen – wir wollen ihnen die Informationen geben, die ihnen die Kontrolle ermöglichen. 

Was sind die größten Herausforderungen für diese Kunden?
 

Die Pulver sind der Schlüsselpunkt in der gesamten Lieferkette der additiven Fertigung. Zu verstehen, was ein gutes Pulver ausmacht, das sich gut ausbreitet und drucken läßt, ist das Hauptanliegen von Unternehmen. Hier gibt es viele Variablen, nicht nur zwischen den verschiedenen Pulvern, sondern auch mit verschiedenen Maschinen. Sie benötigen eine gleichmäßige, ebenmäßige Dicke und Dichte der Pulverschicht, die mittels der Drucktechnologie über das Pulverbett verteilt wird oder Sie haben zu viel oder zu wenig Pulver, was zu einem Mangel an Schmelzen bzw. zu einem Überschmelzen führen kann.

Es ist wichtig zu verstehen, 1) ob es eine ideale Morphologie oder eine ideale Größe oder morphologische Verteilung gibt, die gut mit einer Vielzahl von Recoatern und Druckern interagieren kann, und 2) wie wir die Defekte in Pulvern, wie Einschlüsse und Intrapartikelporosität reduzieren können. Studien haben gezeigt, das während des Druckprozesses ein Partikel gefangen wird und dann nicht entweichen kann.
 
Ein weiterer interessanter Punkt, der experimenteller ist, ist zu wissen, was mit all den In-Process-Überwachungsdaten geschehen soll, die entweder bereits auf Ihrem Computer verfügbar sind oder verfügbar gemacht werden können. CT wird eine entscheidende Rolle dabei spielen, diese Daten in In-Process-Teile zu integrieren und Inspektionen zu erstellen. Universitäten und Maschinenhersteller haben ein großes Interesse an der Lösung dieses Problems – aber sicher ist, dass viele hochrangige Technologien wie maschinelles Lernen und Computer -Vision eine Schlüsselrolle spielen werden. Das ist definitiv etwas, das ich im Auge behalten möchte und wir arbeiten mit den richtigen Partner zusammen, um an der Spitze dieser Forschung zu stehen.
 
Können Sie uns ein Beispiel für eine Kundenerfolgsgeschichte geben?

Einer unserer Kunden erstellt ein medizinisches Gerät – eine mit Titan bedruckte Klemme, die in den Körper implantiert wird. Sie haben damit eine sehr innovative Lösung geschaffen, die nur mittels additive Fertigung möglich ist.
 
Die ersten Prototypen, die sie druckten, funktionierten jedoch nicht richtig. Die Teile sollten flexibel gedruckt werden, um während des Implantationsvorgangs angepasst werden zu können – aber sie wurden starr gedruckt. Da sie nicht wussten, wo sie das Teil halbieren sollten, wussten sie nicht, wo der Druck durch zusätzliches Material verklebt wurde oder sich die Oberfläche an zwei einander gegenüberliegenden Wänden berührte.
 

Innerhalb von zwei Wochen, nach Erhalt des Teiles, konnten wir es bereits scannen und die Visualisierungen bereitstellen, die gebraucht wurde, um zu erkennen, wo das mechanische Problem auftrat. So konnten sie schnell feststellen, was sie in ihrem Herstellungsprozess ändern mussten. Und das war nur eine Frage des Änderns der Build-Datei und des einer leichten Änderung der Ausrichtung des Builds, um zu verhindern, dass die Punkte, die die Bindung erzeugten, eine unerwünschte Materialverbindung aufwiesen.

So hatten sie sehr schnell eine Lösung für ihren nächsten Druck, für die kein umfangreiches neues Analyse-Tool entwickelt werden musste. Alles was es brauchte, waren Leute, die mit dem additiven Fertigungsprozess und den richtigen Prüfmöglichkeiten vertraut waren, um ihnen zu helfen. Und somit haben wir ihnen sehr schnell ihre nächste Designphase ermöglicht.
 
Wie sehen Sie die zukünftige Entwicklung der additiven Fertigung?
 
Ich freue mich, dass es für Unternehmen immer leichter wird, AM zu übernehmen. im Augenblick ist es eine sehr umständliche Technologie, es ist schwierig sie in die gewünschten Bahnen zu bringen und schnell eine Druckqualität auf der Ebene zu haben, wo man Sie haben will. Ich denke, derzeit gibt es eine Einstiegshürde, bei der es nicht nur um die Kosten geht, sondern auch um den erheblichen Zeitaufwand. Ich bin freue mich darüber, dass Dinge wie der intelligente Einsatz von CT, die Entwicklung von Prozessüberwachung und die Bereitschaft großer Forschungslabore uns über den Prozess informieren, diese Barrieren beseitigen, die Preise für Maschinen und Pulver reduzieren und den Zeitaufwand verringern, der erforderlich ist um mit der additiven Fertigung zu beginnen.
 
Darüber hinaus gibt es derzeit strenge Vorschriften der FAA und der FDA in Bezug auf den Teiledruck, sei es in der Luft- und Raumfahrt oder Medizin. Wenn Sie ein von der FAA qualifiziertes und zugelassenes Teil haben, muss das Teil immer auf demselben Drucker gedruckt werden, wobei das gleiche Material ohne Änderungen verwendet werden muß. Wenn sich etwas ändert, müssen sie meist immer wieder an den Anfang zurück kehren und Ihren gesamten Prozess neu qualifizieren lassen.
 

Wir versuchen aktiv dabei zu helfen, dieses Problem zu lösen, indem wir Methoden zur Verfolgung der Maschinenqualität standardisieren und dabei helfen, das Verhalten von Maschine zu Maschine und von Pulver zu Pulver zu vergleichen, so dass der Requalifizierungsprozess abgekürzt werden kann. Wenn Sie also ein Teil auf fünf neuen Maschinen drucken müssen, müssen Sie nicht fünf Mal die ursprüngliche Qualifikation anstreben. Es müssen Abkürzungen entwickelt werden, so dass es eine flüssigere Herstellungstechnik in diesem Bereich der Industrie geben kann.

 
Und Ihre abschließenden Gedanken?
 
Wir würden gerne zwei wichtige Partnerschaften in Betracht ziehen, die zu unserem Erfolg beigetragen haben. Eine ist mit dem Labor der Universität von Waterloo Multi Scale Additive Manufacturing (MSAM) lab, geführt von Ehsan Toyserkani und Mihaela Vlasea. Sie konnten uns zeigen, was in der additiven Fertigung benötigt wird, und erlauben uns, ihre AM- und CT-Geräte zu verwenden.
 
Die zweite ist mit den Beratern der Barnes Group, mit denen wir Standardtools für den Druck und die CT-Inspektion entwickelten. Die Gruppe verfügt über Fachwissen zur Integration des additiven Fertigungsprozesses in die Produktion, sowie die damit verbundenen Qualitäts- und Prüfanforderungen. Die Berater der Barnes Group wissen, dass CT ein wichtiges Prüfwerkzeug ist, um zu verstehen wie Teile hergestellt werden und wie die Teilequalität im Zeitverlauf verfolgt werden kann.
 
Mehr über Expanse Microtechnologies erfahren Sie unter:https://www.expansemicro.com