Ziel der Entwicklung

Die Motivation für dieses Vorhaben speist sich im Wesentlichen aus den Anforderungen einer zunehmend digitalisierten und vernetzten Industriewelt, in der additive Fertigungsverfahren bereits fest etabliert sind und stetig an Bedeutung gewinnen. Industrieunternehmen setzen immer häufiger auf die additive Fertigung, um maßgeschneiderte und komplexe Bauteile herzustellen, darunter auch sicherheitskritische Komponenten etwa in der Luft- und Raumfahrt oder im Automobilbau. Parallel dazu ist jedoch die Möglichkeit der unerlaubten Vervielfältigung gewachsen. Hochauflösende 3D-Scanner und kostengünstige, aber dennoch leistungsfähige additive Fertigungsanlagen erleichtern es, bestehende Konstruktionen ohne Genehmigung zu reproduzieren. Die wirtschaftlichen Einbußen für Unternehmen aufgrund solcher Produktpiraterie sind beträchtlich; betroffen sind nicht nur der Maschinen- und Anlagenbau, sondern zahlreiche Branchen, die auf technologische Innovation und geistiges Eigentum angewiesen sind. Vor diesem Hintergrund entstand aus der Industrie der konkrete Impuls, ein sicheres und möglichst fälschungssicheres Kennzeichnungssystem zu entwickeln. Ziel ist einerseits der Schutz vor unerlaubtem Nachbau, andererseits die lückenlose Nachverfolgung hergestellter Bauteile über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg. Diesem Wunsch nach einem „intelligenten“ Kopierschutz steht jedoch das Problem gegenüber, dass herkömmliche Methoden – etwa das Aufbringen einer sichtbaren Seriennummer oder eines QR-Codes – vergleichsweise leicht kopierbar, manipulierbar oder durch Abnutzung unlesbar werden können. Um diesem Mangel zu begegnen, soll in diesem Projekt eine innenliegende, für das menschliche Auge nicht sichtbare Struktureinbringung realisiert werden, deren Auslesung nur mit geeigneter Sensorik möglich ist. Dadurch lassen sich additive Bauteile eindeutig identifizieren, während gleichzeitig eine robuste und wirtschaftlich tragfähige Lösung geschaffen wird, die den Unternehmen einen wirksamen Schutz vor Produktpiraterie und die lückenlose Erfassung sämtlicher Fertigungs- und Lebenszyklusdaten gewährleistet.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen dieses Projekts wurde eine spezielle Methode entwickelt, um eine manipulationssichere Kennzeichnung in additiv gefertigten Bauteilen zu realisieren. Das Grundprinzip besteht darin, während des Selektiven Laserschmelzens (SLM) eine unter der Oberfläche liegende Struktur, die sogenannte Identifizierungsgeometrie (IDGeo), gemeinsam mit dem Bauteil aufzubauen. Dazu wird schon bei der CAD-Konstruktion ein Codemuster konzipiert, das aus fein abgestimmten Stegen oder Hohlräumen besteht. Schicht für Schicht entsteht so während des 3D-Drucks ein verborgener Code, der nicht mehr von außen sichtbar ist und nachträglich kaum entfernt oder manipuliert werden kann. Im Anschluss an den Fertigungsprozess lässt sich die IDGeo mit einem eigens entwickelten, berührungslosen Messsystem erfassen, ohne das Bauteil zu beschädigen. Das Messsignal wird digitalisiert, sodass eine Auswertesoftware die aufgezeichneten Werte analysieren und automatisch in eine auslesbare Information übersetzen kann. Für eine hinreichend hohe Zuverlässigkeit der Messung wurden die Geometrieparameter der eingebetteten Strukturen gezielt variiert: Dabei wurden unter anderem unterschiedliche Wandstärken, Abstände sowie mögliche Tiefen in verschiedenen Testbauteilen erprobt, um einen optimalen Kompromiss aus Miniaturisierung und Lesbarkeit zu erzielen. Parallel dazu entstanden passende Hardware- und Softwarekomponenten, die den Erfassungs- und Interpretationsprozess automatisieren. Mithilfe praktischer Versuche unter Alltagsbedingungen konnte die Robustheit der Kennzeichnung nachgewiesen werden. So blieben selbst nach thermischen Nachbehandlungen und gängigen Oberflächenverfahren wie Schleifen oder Beschichten die im Inneren eingeschlossene Struktur sowie ihr Auslesesignal nahezu unverändert. Die innenliegende Codierung bietet eine fälschungssichere Bauteilmarkierung, während die präzise, kontaktlose Erfassung die Integration in bestehende Fertigungs- und Qualitätsprozesse erleichtert. Auf diese Weise können wichtige Metadaten – beispielsweise Herstellerinformationen, Produktionszeitpunkt, Prozessparameter oder Wartungshistorien – dauerhaft und eindeutig mit dem jeweiligen Werkstück verknüpft werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die vorgestellte Technologie richtet sich in erster Linie an Unternehmen, die additive Fertigungsverfahren bereits intensiv nutzen oder künftig verstärkt einsetzen wollen. Hierzu zählen insbesondere Branchen mit hohen Qualitäts- und Sicherheitsanforderungen, etwa der Luft- und Raumfahrtsektor, die Automobilindustrie, der Maschinen- und Anlagenbau sowie der Werkzeug- und Formenbau. Auch im Bereich Medizintechnik lassen sich Anwendungen denken, bei denen die langfristige Rückverfolgbarkeit und Authentifizierung von Bauteilen essenziell ist. Da sich die additive Fertigung weltweit etabliert, besteht über den deutschsprachigen Raum hinaus ein beträchtliches Marktpotenzial in anderen europäischen Ländern sowie in Nordamerika und Asien. Für die Anwenderunternehmen ergeben sich aus der entwickelten Lösung gleich mehrere Vorteile. Zum einen verbessert die innenliegende, im Herstellungsprozess integrierte Kennzeichnung den Schutz vor Produktpiraterie und unbefugter Vervielfältigung. Zum anderen ermöglicht sie eine zuverlässige Rückverfolgung während des gesamten Lebenszyklus, was dem Qualitäts- und Risikomanagement zugutekommt. Im Hinblick auf Digitalisierung und Industrie 4.0 lassen sich die erfassten IDs zudem problemlos mit Datenbanken koppeln, um sämtliche Produktinformationen zentral zu speichern und bei Bedarf schnell abzurufen. Der Wissenstransfer in die Praxis erfolgt über mehrere Wege. Einerseits werden Projektergebnisse in Workshops und Vorträgen vorgestellt, die sich sowohl an Forschungseinrichtungen als auch an Interessenten aus der Industrie richten. Lizenzmodelle oder gemeinsame Entwicklungsvereinbarungen können es darüber hinaus ermöglichen, die Technologie und das notwendige Know-how unternehmensspezifisch anzupassen und zu etablieren. Aus wirtschaftlicher Sicht stärkt die Forschungseinrichtung mit diesen Ergebnissen seine Position als Entwicklungspartner für anspruchsvolle Innovationen im Bereich Additive Fertigung und Bauteilidentifizierung. Erwartet wird eine stärkere Nachfrage nach Beratungs- und Entwicklungsdienstleistungen, was mittel- und langfristig zu einem Wachstum des FuE-Portfolios führt.