Werkstoffprüfung und Qualitätssicherung in der Gießerei: Methoden, Normen und Digitalisierung
Grundlagen der Werkstoffprüfung
Die Werkstoffprüfung umfasst verschiedene Prüfverfahren, mit denen das Verhalten und die Werkstoffkenngrößen normierter Werkstoffproben oder fertiger Bauteile unter mechanischen, thermischen oder chemischen Beanspruchungen ermittelt werden. Ein Werkstoff wird dabei hinsichtlich seiner Reinheit, Fehlerfreiheit oder Belastbarkeit überprüft. Die gängigen Prüfverfahren werden in zerstörende, bedingt zerstörungsfreie und zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen unterteilt.
Historische Entwicklung
Eine frühe Form der Werkstoffprüfung zeigt sich in der Geschützprüfung des 15. Jahrhunderts: Das zu prüfende Geschützrohr wurde über eine auf einem Pfahl liegende Kugel gestülpt – hatte das Rohr die Zündung der Pulverladung überstanden, konnte es weiter verwendet werden. Dieser pragmatische Test am fertigen Produkt prüfte die Belastbarkeit des Materials unter realen Bedingungen, wobei eine Masse beschleunigt werden musste, die wesentlich größer war als die später zu beschleunigende Kugel.
Zerstörende, bedingt zerstörungsfreie und zerstörungsfreie Verfahren
Bei der zerstörenden Werkstoffprüfung werden gewählte chemische und physikalische Werkstoffkenngrößen geprüft, wobei die Probe zerstört oder oberflächlich verändert wird. Das zu prüfende Bauteil kann danach nicht mehr genutzt werden. Wesentliche Methoden sind der Zugversuch, der Druckversuch, der Kerbschlagbiegeversuch nach Charpy oder Izod, der Biegeversuch, der Dauerschwingversuch nach Wöhler sowie die Härteprüfung nach Vickers, Brinell oder Rockwell. Auch thermische Analysen wie die Thermogravimetrische Analyse (TGA), die Differenz-Thermoanalyse oder chemische Verfahren wie die Massenspektrometrie (MS) und Chromatographie zählen dazu.
Die bedingt zerstörungsfreie Prüfung setzt voraus, dass das Bauteil eine bestimmte Mindestgröße und dafür vorgesehene Oberflächen aufweist. Soll das Innere eines Bauteils geprüft werden, so muss der zu prüfende Bereich erst ausgefräst werden, was nur mit Zerstörung des Bauteils einhergehen kann. Hierzu zählen beispielsweise die Bohrwiderstandsmessung und die Härteprüfung.
Im Gegensatz dazu bleibt bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP, engl. non-destructive testing/NDT) die Qualität des Werkstücks unbeschädigt. Hierzu werden physikalische Effekte ausgenutzt, die man in die Gruppen Defektoskopie und Qualimetrie einteilt. Zu den gängigen Verfahren gehören die Ultraschallprüfung (UT), die Durchstrahlungsprüfung (RT) mit Röntgen- oder Gammastrahlen, die Magnetpulverprüfung (MT), die Eindringprüfung (PT), die Wirbelstromprüfung (ET) und die Sichtprüfung (VT).
Industrielle Computertomographie und Bildverarbeitung
Eine besonders leistungsfähige zerstörungsfreie Methode ist die industrielle Computertomographie (iCT). Sie ermöglicht eine 3D-Darstellung des Gussteils und erlaubt die Visualisierung von Porositäten, Einschlüssen oder Rissen im gesamten Volumen. Dabei lassen sich Porengröße, Porenvolumen und Wandstärken analysieren sowie farblich markieren. Auch ein berührungsloses Vermessen und Wandstärkenanalysen von innen liegenden Strukturen sind möglich. Dank der ermittelten Daten lässt sich zudem Reverse Engineering betreiben – die Reproduktion von Bauteilen ohne vorhandene technische Zeichnungen oder CAD-Dateien.
Erweitert werden die Möglichkeiten durch bildverarbeitende Systeme zur Qualitätssicherung. Diese nutzen unter anderem optische 3D-Messtechnik, Röntgentechnik, Wärmefluss-Thermografie sowie Terahertz-Messtechnik zur Erkennung von Lufteinschlüssen, Lunkern oder Porositäten.
Qualitätssicherung entlang der Gießereiprozesskette
Die Qualitätssicherung (QS) dient dazu, die Güte von Produkten langfristig auf einem bestimmten Niveau zu gewährleisten und ist als prozessbezogener Bestandteil des Qualitätsmanagements (QM) definiert. Sie umfasst alle organisatorischen und technischen Maßnahmen, die vorbereitend, begleitend und prüfend der Schaffung und Erhaltung einer definierten Qualität dienen. Dies erfolgt nach Normen wie der DIN EN ISO 9001, wie sie beispielsweise in Gießereien seit 1996 zertifiziert implementiert sind.
Von der Entwicklung bis zur Endkontrolle
Die Herstellung hochwertiger Gussteile durchläuft mehrere kontrollierte Schritte. Nach der Entwicklung und Erstellung eines 3D-Modells erfolgt die Produktion von Gießereimodellen aus Holz, Stahl, Harz oder Kunststoff, klassisch oder per CNC-Spanen sowie Rapid Prototyping. Das eigentliche Gießen erfolgt beispielsweise im Sandgussverfahren mit selbsthärtenden Mischungen oder im Druckguss. Anschließend folgen das Spanen (CNC-Fräsen und -Drehen) sowie Montage und Endkontrolle. Durchlaufen wird diese Kette unter Einhaltung von Qualitätskontrollplänen, die individuelle Kontrollschritte vorsehen.
Zur Sicherstellung der Qualität kommen dabei Materialprüfungen vor und nach dem Gießprozess zum Einsatz, darunter Röntgen, Riss- und Dichtigkeitstests sowie Spektralanalysen. Regelmäßige Schulungen der Mitarbeiter und interne Audits sowie kontinuierliche Verbesserungsprozesse (KVP) garantieren dabei den kontinuierlich hohen Qualitätsstandard.
Toleranzen und Normung im Druckguss
Im industriellen Umfeld sind präzise Toleranzen entscheidend für Passgenauigkeit und Funktionssicherheit. Das Druckgussverfahren ermöglicht bei optimaler Prozessführung eine hohe Maßgenauigkeit. Hersteller orientieren sich dabei an der DIN EN ISO 8062-3, die allgemeine Toleranzklassen für Gussstücke definiert.
| Toleranzklasse | Typisches Material | Beispielhafte Abweichung |
|---|---|---|
| Fein (z. B. CT 5-6) | Zink | ±0,03 - 0,05 mm |
| Mittel (z. B. CT 6-7) | Aluminium | ±0,05 - 0,1 mm |
| Grob (z. B. CT 8+) | Magnesium, große Bauteile | ±0,1 - 0,2 mm |
Die erreichbaren Toleranzen hängen dabei von Bauteilgeometrie, Material, Formkomplexität, Werkzeugqualität und Prozessführung ab. Die genaue Toleranz ist stets im Einzelfall zu bewerten.
Digitalisierung und moderne Ansätze
Die digitale Transformation verändert die Qualitätssicherung in der Produktion grundlegend. Moderne digitale Lösungen zeichnen sich durch die vollständige Integrierbarkeit in Manufacturing Execution Systems (MES), kontinuierliche Datenübermittlung im Produktionsprozess und die Nutzung von Echtzeitdaten zur Fehlervermeidung aus. Big Data und Data Analytics ermöglichen Mustererkennungen zur proaktiven Fehlervermeidung, während der Digitale Zwilling Simulationen und die Aufdeckung möglicher Fehlerquellen unterstützt.
Künstliche Intelligenz und Predictive Quality
Der Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) ermöglicht Predictive Quality – die kontinuierliche Analyse und Überwachung von Produktionsprozessen in Echtzeit. Durch Computer Vision und Machine Vision werden Bild- und Videodaten ausgewertet, um potenzielle Mängel frühzeitig zu erkennen und zu behben. Dies minimiert Ausschuss und optimiert den Einsatz von Ressourcen wie Zeit und Material. Ergänzt werden diese technologischen Ansätze auf Managementebene durch Methoden wie die Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA), Six Sigma, Ishikawa-Diagramme und Qualitätszirkel.
Die Unterscheidung zwischen Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle ist dabei wesentlich: Während die QS prozessbezogen ist und darauf abzielt, Vertrauen in die Einhaltung der Qualitätsanforderungen zu schaffen, konzentriert sich die Qualitätskontrolle auf die produktbezogene Prüfung des fertigen Gutes. Beide Elemente bilden zusammen den operativen Teil des Qualitätsmanagements, wobei die QS vorbeugend und die Qualitätskontrolle nachsorgend angelegt ist.