TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - Towards the determination of real process temperatures in the LMD process my multispectral thermography N2 - Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes. T2 - Thermosense: Thermal Infrared Applications XLIII CY - Online meeting DA - 12.04.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Multispectral thermography KW - Laser metal deposition KW - TES KW - LMD KW - Temperature emissivity separation PY - 2021 DO - https://doi.org/10.1117/12.2587881 AN - OPUS4-52515 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils T1 - In-situ Monitoring der Additiven Fertigung von Metallen im LPA Prozess mittels Optischer Emissionsspektrometrie (OES) und Thermografie (TT) N2 - Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Viele wichtige Prozessgrößen bei der additiven Fertigung sind thermischer Natur, wie z.B. die Temperatur des Schmelzbades. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zur Temperaturbestimmung an. Für die Thermografie und Optische Emissionsspektrometrie im IR-Bereich, welche für die in-situ Anwendung prinzipiell als geeignet angesehen werden können, gibt es allerdings noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln. Im Beitrag wird der Fokus auf eine Versuchsserie gelegt, bei der Aufbau von Probekörpern aus dem austenitischen Edelstahl 316L mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) durch od. mit Hilfe von IR-Spektrometrie und Thermografie in-situ überwacht wurde. Hierbei stellen u.a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen des Metalls große experimentelle Herausforderungen dar, wobei jede Methode individuelle Vor- und Nachteile aufweist, welche verglichen werden. T2 - DGZfP-Jahrestagung 2021 CY - Online meeting DA - 10.05.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Thermography KW - Direct Energy Deposition KW - Additive Fertigung KW - Thermografie KW - Laserauftragschweißen PY - 2021 AN - OPUS4-52744 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - Improving additive manufacturing technologies by in-situ monitoring: Thermography N2 - Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented. T2 - Anwenderkonferenz Infratec GmbH CY - Online meeting DA - 04.11.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Thermography PY - 2021 AN - OPUS4-54026 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils T1 - In-situ temperature measurements of the LMD process by IR-spectroscopy and Thermography N2 - Temperature measurements of the LMD process by IR-spectroscopy and Thermography are presenet and compared. T2 - 2st Workshop on In-situ Monitoring and Microstructure Development in Additive Manufacturing CY - Online meeting DA - 19.04.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Thermography PY - 2021 AN - OPUS4-52565 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Becker, Tina A1 - Oster, Simon A1 - Altenburg, Simon A1 - Metz, C. A1 - Maierhofer, Christiane T1 - Aktive Laserthermografie im L-PBF-Prozess zur in-situ Detektion von Defekten N2 - Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend. Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar. In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert. T2 - DGZfP-Jahrestagung 2022 CY - Kassel, Germany DA - 23.05.2022 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Thermografie KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Aktive Laserthermografie PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-550353 SN - 978-3-947971-25-1 VL - 177 SP - 1 EP - 9 PB - Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V. AN - OPUS4-55035 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - Process monitoring in metal AM @ BAM - The project ProMoAM N2 - Results of the project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) presented. Results from in-situ eddy current testing, optical emission spectroscopy, thermography, optical tomography as well as particle and gas emission spectroscopy are summarized and correlated to results from computed tomography for future in-situ defect detection. T2 - 3rd Meeting of WG6 (NDT in AM) of the EFNDT CY - Online meeting DA - 15.03.2022 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - ProMoAM PY - 2022 AN - OPUS4-54484 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - Aktive Laserthermografie im L-PBF-Prozess zur in-situ Detektion von Defekten N2 - Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend. Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar. In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert. T2 - DGZfP-Jahrestagung 2022 CY - Kassel, Germany DA - 23.05.2022 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Thermografie KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Aktive Laserthermografie PY - 2022 AN - OPUS4-55040 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Ulbricht, Alexander A1 - Altenburg, Simon A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Sommer, Konstantin A1 - Mohr, Gunther A1 - Fritsch, Tobias A1 - Mishurova, Tatiana A1 - Serrano-Munoz, Itziar A1 - Evans, Alexander A1 - Hofmann, M. A1 - Bruno, Giovanni T1 - Separation of the Formation Mechanisms of Residual Stresses in LPBF 316L N2 - Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured parts and important factors for the residual stress formation. This study examined the influence of heat accumulation on the distribution of residual stress in two prisms produced by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of austenitic stainless steel 316L. The layers of the prisms were exposed using two different border fill scan strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. The goal was to reveal the effect of different heat inputs on samples featuring the same solidification shrinkage. Residual stress was characterised in one plane perpendicular to the building direction at the mid height using Neutron and Lab X-ray diffraction. Thermography data obtained during the build process were analysed in order to correlate the cooling rates and apparent surface temperatures with the residual stress results. Optical microscopy and micro computed tomography were used to correlate defect populations with the residual stress distribution. The two scanning strategies led to residual stress distributions that were typical for additively manufactured components: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, due to the different heat accumulation, the maximum residual stress levels differed. We concluded that solidification shrinkage plays a major role in determining the shape of the residual stress distribution, while the temperature gradient mechanism appears to determine the magnitude of peak residual stresses. KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - LPBF KW - AISI 316L KW - Online Process Monitoring KW - Thermography KW - Residual Stress KW - Neutron Diffraction KW - X-ray Diffraction KW - Computed Tomography PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-512903 DO - https://doi.org/10.3390/met10091234 VL - 10 IS - 9 PB - MDPI CY - Basel AN - OPUS4-51290 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Sprengel, Maximilian A1 - Mohr, Gunther A1 - Altenburg, Simon A1 - Evans, Alexander A1 - Serrano-Munoz, Itziar A1 - Kromm, Arne A1 - Pirling, T. A1 - Bruno, Giovanni A1 - Kannengießer, Thomas T1 - Triaxial Residual Stress in Laser Powder Bed Fused 316L: Effects of Interlayer Time and Scanning Velocity N2 - The triaxial distribution of the residual stress in laser powder bed fused austenitic steel 316L was determined by X-ray and neutron diffraction. The residual stress analysis results were linked to the thermal history of the specimens, which were manufactured with varying inter-layer-times and scanning velocities. A clear link between the in-process temperature of the specimens and the residual stress was found, based on in-situ monitoring data. KW - Stainless Steel KW - AGIL KW - Residual Stress KW - X-ray and Neutron Diffraction KW - Additive Manufacturing PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-542620 DO - https://doi.org/10.1002/adem.202101330 SP - 1 EP - 13 PB - Wiley-VCH GmbH AN - OPUS4-54262 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Mohr, Gunther A1 - Scheuschner, Nils A1 - Hilgenberg, Kai T1 - In situ heat accumulation by geometrical features obstructing heat flux and by reduced inter layer times in laser powder bed fusion of AISI 316L stainless steel N2 - Material qualification for laser powder bed fusion (L-PBF) processes are often based on results derived from additively manufactured (AM) bulk material or small density cubes, although it is well known that the part geometry has a tremendous influence on the heat flux and, therefore, on the thermal history of an AM component. This study shows experimentally the effect of simple geometrical obstructions to the heat flux on cooling behavior and solidification conditions of 316L stainless steel processed by L-PBF. Additionally, it respects two distinct inter layer times (ILT) as well as the build height of the parts. The cooling behavior of the parts is in-situ traced by infrared (IR) thermography during the built-up. The IR signals reveal significant differences in cooling conditions, which are correlated to differences in melt pool geometries. The acquired data and results can be used for validation of computational models and improvements of quality assurance. KW - Selective laser beam melting KW - Thermography KW - Melt pool depth KW - Inter layer time KW - Ppreheating temperature KW - Additive Manufacturing PY - 2020 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-512549 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2020.09.030 VL - 94 SP - 155 EP - 160 PB - Elsevier B.V. AN - OPUS4-51254 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - D'Accardi, E. T1 - Capability of active thermography to detect and localize pores in Metal Additive Manufacturing materials N2 - A powerful tool to understand, demonstrate and explain the limits of the pulsed technique in terms of detectability and localizability of AM keyhole pores has been assessed by comparing the active thermographic approach (both experimental and FEM simulations) to Computed Tomography results; ✓ µCT results demonstrate that the intended defect geometry is not achieved; indeed a network of voids (microdefects consisting of small sharp-edged hollows with a complicated, almost fractal, inner surface) was found; ✓ both Exp-PT and FEM results explains clearly why no indication of defect related to the thermal contrasts could be found during the investigation of an uncoated surface. However, the application of further data evaluations focusing on the thermal behavior and emissivity evaluation (PPT post data processing) enable the detection of some defects; ✓ coating facilitates a closer inspection of inner defects, but inhomogeneities of the coating could impair the spatial resolution and lead to the emergence of hotspots (the FEM simulation reached its limit with this extreme geometry where a 25 µm thin disc is considered at a 1 cm thick specimen in millisecond time resolution); ✓ both Exp-PT and FEM results allow the conclusion that very short pulses of 200 ms or shorter should be sufficient to detect these defects below, but near the surface; besides a short duration of the thermal phenomenon it should be emphasized, about 0.04 s (high frame rate camera); T2 - Convegno AIAS 2020 CY - Online meeting DA - 02.09.2020 KW - Additive Manufacturing KW - Laser powderbed fusion KW - Pores KW - Thermography PY - 2020 AN - OPUS4-51922 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - Comparison of NIR and SWIR thermography for defect detection in laser powder bed fusion N2 - Since laser powder bed fusion (PBF-LB/M) is prone to the formation of defects during the building process, a fundamental requirement for widespread application is to find ways to assure safety and reliability of the additively manufactured parts. A possible solution for this problem lies in the usage of in-situ thermographic monitoring for defect detection. In this contribution we investigate possibilities and limitations of the VIS/NIR wavelength range for defect detection. A VIS/NIR camera can be based on conventional silicon-based sensors which typically have much higher spatial and temporal resolution in the same price range but are more limited in the detectable temperature range than infrared sensors designed for longer wavelengths. To investigate the influence, we compared the thermographic signatures during the creation of artificially provoked defects by local parameter variations in test specimens made of a nickel alloy (UNS N07208) for two different wavelength ranges (~980 nm and ~1600 nm). T2 - 13th CIRP Conference on Photonic Technologies - LANE 2024 CY - Fürth, Germany DA - 15.09.2024 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Nondestructive Testing KW - Defect Detection KW - Thermography PY - 2024 AN - OPUS4-61285 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Becker, Tina A1 - Altenburg, Simon A1 - Scheuschner, Nils A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Metz, C. A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Maierhofer, Christiane T1 - In-situ monitoring of the Laser Powder Bed Fusion build process via bi- chromatic optical tomography N2 - As metal additive manufacturing (AM) is entering industrial serial production of safety relevant components, the need for reliable process qualification is growing continuously. Especially in strictly regulated industries, such as aviation, the use of AM is strongly dependent on ensuring consistent quality of components. Because of its numerous influencing factors, up to now, the metal AM process is not fully controllable. Today, expensive part qualification processes for each single component are common in industry. This contribution focusses on bi-chromatic optical tomography as a new approach for AM in-situ quality control. In contrast to classical optical tomography, the emitted process radiation is monitored simultaneously with two temperature calibrated cameras at two separate wavelength bands. This approach allows one to estimate the local maximum temperatures during the manufacturing process, thus increases the comparability of monitoring data of different processes. A new process information level at low investment cost is reachable, compared to, e.g., infrared thermography. T2 - LANE 2022 CY - Fürth, Germany DA - 04.08.2022 KW - Optical tomography KW - Additive Manufacturing KW - L-PBF KW - In-process monitoring PY - 2022 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-560270 DO - https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.08.035 SN - 2212-8271 VL - 111 SP - 340 EP - 344 PB - Elsevier B.V. CY - Amsterdam AN - OPUS4-56027 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - In-situ Prüfung additiv gefertigter L-PBF-Bauteile mit aktiver Laserthermografie N2 - Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch. Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird. Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen. T2 - Thermographie-Kolloquium 2022 CY - Saarbrücken, Germany DA - 28.09.2022 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Defekte KW - Zerstörungsfreie Prüfung KW - Aktive Laserthermografie PY - 2022 UR - https://www.dgzfp.de/Portals/thermo2022/BB178/Inhalt/18.pdf SN - 978-3-947971-27-5 AN - OPUS4-56810 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Tina T1 - Two approaches for multi measurand in-situ monitoring of the L-PBF process – bicolor- and RGB-optical tomography N2 - Since metal additive manufacturing (AM) becomes more and more established in industry, also the cost pressure for AM components increases. One big cost factor is the quality control of the manufactured components. Reliable in-process monitoring systems are a promising route to lower scrap rates and enhance trust in the component and process quality. The focus of this contribution is the presentation and comparison of two optical tomography based multi measurand in-situ monitoring approaches for the L-PBF process: the bicolor- and the RGB-optical tomography. The classical optical tomography (OT) is one of the most common commercial in-situ monitoring techniques in industrial L-PBF machines. In the OT spatial resolved layer-images of the L-PBF process are taken from an off-axis position in one near infrared wavelength window. In addition to the explanatory powers classical OT, both here presented approaches enable the determination of the maximum surface temperature. In contrast to thermography that may also yield maximum temperature information, the needed equipment is significantly cheaper and offers a higher spatial resolution. Both approaches are implemented at a new in-house developed L-PBF system (Sensor-based additive manufacturing machine - SAMMIE). SAMMIE is specifically designed for the development and characterization of in-situ monitoring systems and is introduced as well. T2 - ICAM2022 CY - Orlando, FL, USA DA - 31.10.2022 KW - Additive Manufacturing KW - L-PBF KW - In-process monitoring KW - Optical tomography PY - 2022 AN - OPUS4-56594 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - In-situ defect detection for laser powder bed fusion with active laser thermography N2 - Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process. Here, active laser thermography, a non-destructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. The results of the defect detection using infrared cameras are presented for a custom research PBF-LB/M machine. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers. T2 - 2023 Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium CY - Austin, TX, USA DA - 14.08.2023 KW - Additive Manufacturing KW - Additive Fertigung KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Nondestructive Testing KW - Flying Spot Laser Thermography PY - 2023 AN - OPUS4-58137 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - In-situ defect detection via active laser thermographic testing for PBF-LB/M N2 - Great complexity characterizes Additive Manufacturing (AM) of metallic components via laser powder bed fusion (PBF-LB/M). Due to this, defects in the printed components (like cracks and pores) are still common. Monitoring methods are commercially used, but the relationship between process data and defect formation is not well understood yet. Furthermore, defects and deformations might develop with a temporal delay to the laser energy input. The component’s actual quality is consequently only determinable after the finished process. To overcome this drawback, thermographic in-situ testing is introduced. The defocused process laser is utilized for nondestructive testing performed layer by layer throughout the build process. The results of the defect detection via infrared cameras are shown for a research PBF-LB/M machine. This creates the basis for a shift from in-situ monitoring towards in-situ testing during the AM process. Defects are detected immediately inside the process chamber, and the actual component quality is determined. T2 - Lasers in Manufacturing (LiM) CY - Munich, Germany DA - 26.06.2023 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Nondestructive Testing KW - Defect Detection KW - Flying Spot Laser Thermography PY - 2023 AN - OPUS4-57922 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - Hyperspektrale Thermografie im metallischen Laser-Pulverbettschweißen (PBF-LB/M): Grundlagen für eine in-situ Realtemperatur-Bestimmung N2 - Die additive Fertigung (Additive Manufacturing AM, auch als 3D Druck bekannt) von Metallen nimmt einen stetig wachsenden Stellenwert in industriellen Anwendungen ein. Gründe dafür sind u.a. die Möglichkeit der Umsetzung komplexer Bauteildesigns und die Nutzung neuartiger Werkstoffe. Damit hebt sich AM von konventionellen Fertigungsmethoden wie der subtraktiven Fertigung (Drehen, Fräsen, etc.) ab. Das für Metalle am weitesten verbreitete AM-Verfahren ist das Laser-Pulverbettschweißen (Laser Powder Bed Fusion PBF-LB/M, auch als Selective Laser Melting SLM bekannt). Es besitzt aktuell den höchsten Industrialisierungsgrad und die größte Anzahl an eingesetzten Maschinen. Bei PBF-LB/M liegt der metallische Ausgangswerkstoff unter Inertgasatmosphäre innerhalb einer Prozesskammer in einem Bett als Pulver vor und ein Laser schmilzt dieses lokal auf. Durch wiederholtes Auftragen einer neuen Pulverschicht und anschließendes selektives Schmelzen mit Hilfe des Lasers findet der lagenweise Aufbau eines Bauteils statt. Die dabei auftretenden lokalen Temperaturverteilungen bestimmen sowohl die Eigenschaften des gefertigten Bauteils als auch das mögliche Auftreten von Defekten wie Poren oder Risse. Durch diese Relevanz der thermischen Historie wäre die Aufzeichnung der auftretenden Realtemperaturen in zeitlicher und räumlicher Abhängigkeit optimal. Mit quantitativen Werten wären Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit des AM-Prozesses gegeben, was sich auch positiv auf Qualität und Sicherheit des gefertigten Bauteils auswirkt. Außerdem wäre ein Beitrag zur Validierung von Simulationen sowie zur Gewinnung eines tieferen Verständnisses des Fertigungsprozesses gegeben. Jedoch findet aktuell lediglich ein qualitatives Monitoring statt (bspw. mittels Überwachung des Schweißbades durch eine Photodiode) und sicherheitsrelevante Bauteile müssen zeit- und kostenaufwändig im Nachgang ex-situ geprüft werden. Grund dafür sind auch die herausfordernden Bedingungen des PBF-LB/M-Prozesses mit hohen Scangeschwindigkeiten bei geringem Durchmesser des Laserspots. Des Weiteren erschweren die auftretenden Emissionsgradänderungen mit hoher Dynamik (zeitlich, räumlich) und den gegebenen Abhängigkeiten (temperatur-/wellenlängenabhängig) eine berührungslose Temperaturbestimmung basierend auf emittierter Infrarotstrahlung deutlich. Klassische Thermografie bietet zwar sehr gute qualitative Einblicke, ist dabei jedoch ohne eine aufwändige Temperaturkalibrierung inklusive Bildsegmentierung und Zuweisung von vorher ermittelten Emissionsgraden für eine verlässliche Bestimmung der Realtemperatur nicht ausreichend. Aus diesem Grund wird in dieser Veröffentlichung der Ansatz der hyperspektralen Thermografie für den PBF-LB/M Prozess vorgestellt: Die emittierte Infrarotstrahlung wird gleichzeitig bei einer Vielzahl von benachbarten Wellenlängenbereichen gemessen. Dies wird in dieser Untersuchung mittels einer selbst zusammengestellten hyperspektralen Linienkamera, die im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitet, realisiert. Hierbei wird die thermische Strahlung einer Linie auf dem Messobjekt spektral aufgespalten und detektiert, sodass die spektrale spezifische Ausstrahlung entlang dieser Linie vermessen werden kann. Bewegt sich das Schmelzbad des PBF-LB/M Prozesses bei ausreichender Bildfrequenz durch diese Linie, ist eine räumliche Rekonstruktion eines effektiven Schmelzbades möglich. Ein Ansatz, um aus diesen hyperspektralen Daten die gesuchten Emissionsgrade sowie die Realtemperatur zu ermitteln, sind Methoden der Temperatur-Emissionsgrad-Separation (TES). Ein Hauptproblem besteht darin, dass n spektrale Messungen verfügbar sind, jedoch n+1 Kenngrößen für jeden Bildpixel gesucht werden (n Emissionsgrade + eine Temperatur). TES-Methoden liefern die Möglichkeit, dieses mathematisch unterbestimmte Problem verlässlich und nachvollziehbar zu approximieren, indem der spektrale Emissionsgrad mit wenigen Freiheitsgraden analytisch parametriert wird. Mit Hilfe dieses Ansatzes werden Setup und Methoden an SAMMIE (Sensor-based Additive Manufacturing Machine), einer Forschungsmaschine für PBF-LB/M, angewendet. Erste Ergebnisse unter AM-Prozessbedingungen werden gezeigt, welche die Grundlage für die Bestimmung von Realtemperaturen im PBF-LB/M-Prozess bilden. Dies leistet einen wichtigen Beitrag zur verbesserten Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit der Fertigung, zur Validierung von Simulationen sowie zum Verständnis des Prozesses selbst. Das unterstützt langfristig dabei das Vertrauen in die Sicherheit von AM-Produkten zu stärken. T2 - TEMPERATUR 2024 CY - Berlin, Germany DA - 05.06.2024 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Schmelzbadtemperatur KW - Hyperspectral Imaging KW - Emissionsgrad KW - Quantitative Temperatur PY - 2024 AN - OPUS4-60753 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - SAMMIE – PBF-LB/M Research System for the Development of in-situ Monitoring methods N2 - The additive manufacturing of metals has now reached a level of maturity that enables its use in many branches of industry or brings it within reach. The main advantages are the ability to produce complex components that cannot be produced conventionally or only at great expense, as well as in the production of highly individualized components in small quantities. However, the additive manufacturing process is highly complex and prone to errors. In order to guarantee the quality control required particularly for safety-relevant components, complex downstream nondestructive testing NDT of the individual components is currently necessary. In-situ process monitoring and testing could offer alternatives, but these have not yet reached a sufficient level of functionality. Industrial production facilities offer little or no flexibility and accessibility to enable extensive investigations in this area. For this reason, we developed a system for the powder bed fusion process of metals (PBF-LB/M) called SAMMIE. It offers a completely open system architecture with full control over the process and flexible access to the build chamber, e.g., optically both on-axis and off-axis to the production laser. In this contribution, we present the system and show first experimental results of in-situ monitoring and testing, e.g., high-resolution thermographic melt pool monitoring, multispectral optical tomography, and high-speed videos of the process. SAMMIE enables us to conduct fundamental investigations that will help to further develop in-situ process monitoring and testing, gain new insights into the process, and improve its safety and reliability. T2 - 48th MPA-Seminar CY - Stuttgart, Germany DA - 08.10.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Custom machine KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring PY - 2024 AN - OPUS4-61350 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Tina T1 - PBF-LB/M: Prozess Monitoring mittels Multispektraler OT N2 - Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege. Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig. In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz. Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor. Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst. In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht. Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte. Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen. T2 - Temperatur 2024 CY - Berlin, Germany DA - 05.06.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Optische Tomografie KW - Additive Fertigung KW - Prozessüberwachung KW - Additive Manufacturing PY - 2024 AN - OPUS4-60235 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - SAMMIE: Eigenbau-Anlage für Metall-AM zur Sensorentwicklung und Qualifizierung N2 - Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte. Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt. T2 - Temperatur 2024 CY - Berlin, Germany DA - 05.06.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Anlage KW - Additive Fertigung KW - Prozessüberwachung KW - Additive Manufacturing PY - 2024 AN - OPUS4-60234 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Tina T1 - Emissivity – Gamechanger for quantitative in-situ monitoring N2 - For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS = 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t. T2 - Rapid.Tech 3D 2024 CY - Erfurt, Germany DA - 14.05.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Emissivity KW - Additive Manufacturing PY - 2024 AN - OPUS4-60148 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Altenburg, Simon T1 - Absolute temperature determination in laser powder bed fusion (PBF-LB/M) via hyperspectral thermography N2 - Temperature is a key characteristic in laser powder bed fusion of metals (PBF-LB/M). As a quantitative physical property, the temperature can determine the actual process quality independently from the nominal process parameters. Thus, establishing a process evaluation on temperatures rather than the comparison of process conditions is expected to be more effective. However, quantitative in situ temperature measurements with classical thermographic methods are virtually impossible. The reason is that the required emissivity value changes drastically throughout the process. Additionally, large temperature ranges along with the highly dynamic nature of the PBF-LB/M process make temperature measurements difficult. Based on this challenge, this work presents a method for hyperspectral temperature determination. The spectral exitance (in W/m2⋅nm) was measured in situ at many adjacent wavelengths in the short-wave infrared (SWIR). This enabled a local temperature determination via Planck’s law in combination with a spectral emissivity function. The temperature field of the melt pool crossing the 1D measurement line was reconstructed from the information, gathered at nearly 20 kHz sampling rate. The reconstructed melt pool had a spatial resolution of 17 µm by 40 µm, and temperatures between 2700 and 1300 K were observable. Comparison of the 316L stainless steel solidification temperature and the observed solidification plateau in the gathered thermal data revealed a relative error of less than 6% in the absolute temperature measurement. These initial results of hyperspectral temperature determination in PBF-LB/M show the potential in the method. It allows for physically founded process evaluation, and the prospects for tuning and validation of numerical simulations are highly promising. KW - Additive Manufacturing KW - Infrared Thermography KW - In-situ Monitoring KW - Quantitative Temperature Measurement KW - Emissivity PY - 2025 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-631977 DO - https://doi.org/10.1007/s40964-025-01148-8 SN - 2363-9512 SP - 1 EP - 10 PB - Springer Science and Business Media LLC AN - OPUS4-63197 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Becker, Tina A1 - Oster, Simon A1 - Metz, C. A1 - Altenburg, Simon T1 - In-situ defect detection for laser powder bed fusion with active laser thermography N2 - Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process. Here, active laser thermography, a nondestructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. We study our proposed testing method along experiments carried out on a custom research PBF-LB/M machine using infrared (IR) cameras. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers. T2 - 2023 International Solid Freeform Fabrication Symposium CY - Austin, TX, USA DA - 14.08.2023 KW - Additive Manufacturing KW - Laser Powder Bed Fusion KW - Nondestructive Testing KW - Thermography KW - Defect Detection PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-606288 DO - https://doi.org/10.26153/tsw/51096 SP - 1978 EP - 1989 PB - University of Texas at Austin CY - Austin, TX, USA AN - OPUS4-60628 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Oster, Simon T1 - A comparison of machine learning approaches for porosity prediction in PBF-LB/M based on thermography N2 - Metal-based additive manufacturing processes are increasingly used in industry to produce complex-shaped components. In this regard, the laser-based Powder Bed Fusion process (PBF-LB/M) is one of the key technologies due to its capability to produce components in high spatial accuracy. The formation of porosity during manufacturing poses a serious risk to the safety of the printed parts. For quality assessment, in-situ monitoring technologies such as thermography can be used to capture the thermal history during production. It was shown that discontinuities within the thermal history can be correlated with the probability of porosity or defect formation. In this context, Machine Learning (ML) algorithms have achieved promising results for the task of porosity prediction based on thermographic in-situ monitoring data. One important technique is the use of thermogram features for porosity prediction that are extracted from the raw data (e.g., features related to the melt pool geometry or spatter generation). However, the reduction from large thermogram data to discrete features holds the risk of losing potentially important thermal information and, thereby, introducing bias in the model. Therefore, we present a raw data-based deep learning approach that uses thermographic image sequences for the prediction of local porosity. The model takes advantage of the self-attention mechanism that considers not only the thermogram information but also its positional context within the sequence. The model is used to predict porosity in the form of a many-to-one regression. It is trained and tested on a dataset retrieved from the manufacturing of HAYNES282 cuboid specimens. The model results are compared against state-of-the-art thermogram feature-based ML models and artificial neural networks. The raw data model outperforms its feature-based counterparts in terms of prediction scores and, therefore, seems to make better use of the information available in the thermogram data. T2 - 4th Symposium on Materials and Additive Manufacturing CY - Berlin, Germany DA - 12.06.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Thermography KW - Additive Manufacturing KW - Machine learning KW - Porosity prediction PY - 2024 AN - OPUS4-62472 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils T1 - SAMMIE - Research PBF-LB/M system for the development of in-situ monitoring methods N2 - By allowing economic on-demand manufacturing of highly customized and complex workpieces, metal based additive manufacturing (AM) has the prospect to revolutionize many industrial areas. Since AM is prone to the formation of defects during the building process, a fundamental requirement for AM is to find ways to assure the safety and reliability of the additively manufactured parts to become applicable in most fields. A possible solution for this problem lies in the deployment of various in-situ monitoring techniques. However, only a few of these techniques are commercially available and are not researched to an extent that allows to guarantee the adherence to strict quality and safety standards. Since commercial AM machines are not designed for research applications, they provide only limited access to the build chamber during the process and little control over the exact timing and parameters of the process. Therefore, for our research at BAM, we built a laser powder bed fusion system (PBF-LB/M), called “Sensor-based Additive Manufacturing MachInE” (SAMMIE). It provides a fully open system architecture with flexible accesses to the build camber and full control of the complete process. In this contribution, we show first results using thermographic cameras and optical tomography. The flexibility of SAMMIE allows us to use the multiple cameras either fixed relatively to the build plate or coaxially to the process laser. T2 - 20th World Conference on Non-Destructive Testing (WCNDT) CY - Incheon, South Korea DA - 27.05.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Custom machine KW - Additive Manufacturing KW - Thermography PY - 2024 AN - OPUS4-62471 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - SAMMIE – Forschungssystem für die additive Fertigung von Metallen (PBF-LB/M) zur Entwicklung von In-situ-Überwachungs- und -prüfmethoden N2 - Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern. T2 - DGZfP-Jahrestagung 2024 CY - Osnabrück, Germany DA - 06.05.2024 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Anlage KW - Additive Fertigung KW - Prozessüberwachung KW - Additive Manufacturing PY - 2024 AN - OPUS4-60149 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils T1 - Comparison of in-situ OES and Thermography in the LMD process N2 - In this talk optical emission spectroscopy (OES) and thermographic measurements of the Laser Metal Deposition Process (LMD) are presented. T2 - Workshop on Additive Manufacturing: Process, materials, simulation & implants CY - BAM, Berlin, Germany DA - 13.05.2019 KW - Additive Manufacturing KW - Infrared Thermography PY - 2019 AN - OPUS4-48054 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon A1 - Scheuschner, Nils A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Mohr, Gunther A1 - Hilgenberg, Kai T1 - Thermography in laser powder bed fusion of metals: time over threshold as feasible feature in thermographic data N2 - Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring of metal additive manufacturing processes. Especially in laser powder bed fusion processes, the high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of an almost defect free cuboid specimen. T2 - 15th Quantitative InfraRed Thermography conference CY - Online meeting DA - 21.09.2020 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Thermography KW - L-PBF KW - Time over threshold PY - 2020 DO - https://doi.org/10.21611/qirt.2020.005 SP - 1 EP - 5 PB - QIRT Council CY - Quebec, Canada AN - OPUS4-52014 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scheuschner, Nils T1 - Infrared Thermography of the DED-LB/M and PBF LB/M processes N2 - Infrared thermography is a technique that allows to measure the temperatures of objects by analyzing the intensity of the thermal emission without the need of direct contact with very high spatial and temporal resolution. As the temperature is a fundamental factor for the additive manufacturing processes of metals, infrared thermography can provide experimental data that can be used for the validation of simulations and improving the understanding of the processes as well as for in-situ process monitoring for nondestructive evaluation (NDE) for quality control. In this talk we will provide an overview over the possibilities of state of the art thermographic in-situ monitoring systems for the DED-LB/M and PBF-LB/M processes and the challenges such as phase transitions and unknown emissivity values in respect to the determination of real temperatures. We define the requirements for different camera systems in various configurations and give examples on the selection of appropriate measurement parameters and data acquisition techniques as well as on techniques for data analysis and interpretation. Finally, we compare in-situ monitoring methods against post NDE methods by analyzing the advantages and disadvantages of both. This research was funded by BAM within the Focus Area Materials. T2 - Coupled2021 - IX International Conference on Coupled Problems in Science and Engineering CY - Online meeting DA - 13.06.2021 KW - Additive Manufacturing KW - Thermography KW - Direct Energy Deposition PY - 2021 AN - OPUS4-54399 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - Measurement of real temperatures in metal powder bed fusion: Hyperspectral thermography N2 - Detailed knowledge about the physics of the PBF-LB/M process is still lacking, and the simulation of the fast and small-scale process is challenging. Especially the experimental validation of complex simulations lacks a suitable measurement technique for temperature distributions at high speeds and spatial resolution. The complicated process physics, specifically the rapidly changing emissivity in and around the meltpool, pose a severe challenge for usual thermographic approaches. Here, we present first results of a hyperspectral measurement approach to reconstruct temperature and emissivity maps during the PBF-LB/M process in a custom manufacturing machine. The camera setup measures the thermal radiation of the process along a line at a rate of 20 kHz, spectrally resolved between 1 µm and 1.6 µm. When the meltpool travels perpendicularly across this line, a typical meltpool can be reconstructed by pointwise fitting for temperature emissivity separation, based on typical spectral emissivities from reference measurements. T2 - Lasers in Manufacturing Conference - LiM CY - Munich, Germany DA - 23.06.2025 KW - PBF-LB/M KW - In situ monitoring KW - Thermography KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Hyperspectral PY - 2025 AN - OPUS4-63564 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter T1 - Fundamentals of quantitative temperature determination during laser powder bed fusion of metals (PBF-LB/M) via hyperspectral thermography N2 - Additive manufacturing (AM, also known as 3D printing) of metals is becoming increasingly important in industrial applications. Reasons for this include the ability to realize complex component designs and the use of novel materials. This distinguishes AM from conventional manufacturing methods such as subtractive manufacturing (turning, milling, etc.). The most widely used AM process for metals is laser powder bed fusion (PBF-LB/M, also known as selective laser melting SLM). Currently, it has the highest degree of industrialization and the largest number of machines in use. In PBF-LB/M, the feedstock is present as metal powder in an inert gas atmosphere inside a process chamber where a laser melts it locally. By repeatedly lowering the build platform, applying a new layer of powder, and then selectively melting it with the laser, a component is built up layer by layer. The local temperature distributions that occur during this process determine not only the properties of the finished component, but also the possible formation of defects such as pores and cracks. Due to the high relevance of the thermal history for precise geometries and defect formation, a temporally and spatially resolved measurement of quantitative (or real/actual) temperatures would be optimal. Quantitative values would ensure comparability and repeatability of the AM process which would also positively affect the quality and safety of the manufactured component. Furthermore, it would also contribute to the validation of simulations and to a deeper understanding of the manufacturing process itself. At present, however, only qualitative monitoring of the thermal radiation is performed (e.g., by monitoring the melt pool using a photodiode), and safety-relevant components must be inspected ex situ afterwards which is time-consuming and costly. A reason for the lack of quantitative temperature data from the process are the challenging conditions of the PBF-LB/M process with high scanning speeds and a small laser spot diameter. Furthermore, the emissivity of the surface changes at high dynamics (temporally/spatially) as well as with temperature and wavelength. This specifically makes contactless temperature determination based on emitted infrared radiation challenging for PBF-LB/M. Although classical thermography offers very good qualitative insights, it is not sufficient for a reliable quantitative temperature determination without a complex temperature calibration including image segmentation and assignment of previously determined emissivities. For this reason, this publication presents the hyperspectral thermography approach for the PBF-LB/M process: The emitted infrared radiation is measured simultaneously at many adjacent wavelengths. In this study, this is realized via a fast hyperspectral line camera that operates in the short-wave infrared range. The thermal radiation of a line on the target is spectrally dispersed and detected to measure the radiant exitance along that line. If the melt pool of the PBF-LB/M process moves through this line at a sufficient frame rate, a spatial reconstruction of an effective melt pool is possible. One approach to determine the desired emissivities and the quantitative temperature from this hyperspectral data are temperature-emissivity separation (TES) methods. A major problem is that n spectral measurements are available, but n+1 parameters are required for each image pixel (n emissivity values + one temperature value). TES methods offer the possibility to approximate this mathematically underconstrained problem in a reliable and traceable way by analytically parameterizing the spectral emissivity with a few degrees of freedom. Using this approach, setup and method are applied to a research machine for PBF-LB/M, called SAMMIE (Sensor-based Additive Manufacturing Machine). First results under AM process conditions are shown which form the basis for the determination of quantitative temperatures in the PBFLB/M process. This marks an important contribution to improving the comparability and repeatability of production, validating simulations, and understanding the process itself. When fully developed and validated, the presented method can also provide reference measurements to evaluate and optimize other, more practical monitoring methods, such as melt pool monitoring or optical tomography. In the long run, this will help to increase confidence in the safety of AM products. T2 - QIRT 2024 CY - Zagreb, Croatia DA - 01.07.2024 KW - Additive Manufacturing KW - Additive Fertigung KW - Real Temperature KW - Melt Pool KW - Emissivity PY - 2024 AN - OPUS4-60762 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Hilgenberg, Kai A1 - Daum, Werner A1 - Maierhofer, Christiane A1 - Altenburg, Simon A1 - Bruno, Giovanni A1 - Heckel, Thomas A1 - Skrotzki, Birgit A1 - Zerbst, Uwe A1 - Kranzmann, Axel A1 - Bettge, Dirk A1 - Sommer, Konstantin A1 - Seeger, Stefan A1 - Nitsche, Michael A1 - Günster, Jens A1 - Evans, Alexander T1 - Additive manufacturing at the BAM: We focus on Safety N2 - In Germany, the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) is addressing challenges in the implementation of additive manufacturing on the industrial landscape for safety-critical applications. KW - Process development KW - Additive Manufacturing KW - In-situ Process Monitoring KW - Non-destructive Materials KW - Characterisation KW - Safety KW - Fatigue KW - Environment KW - Standardisation PY - 2019 UR - https://static.asminternational.org/amp/201910/22/ SN - 0882-7958 VL - 177 IS - 7 SP - 22 EP - 26 PB - ASM International CY - Materials Park, OH, USA AN - OPUS4-49780 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Altenburg, Simon T1 - Thermography in laser powder bed fusion of metals: time over threshold as feasible feature in thermographic data N2 - Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring for metal additive manufacturing processes. The high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of a defect free cuboid specimen. T2 - 15th Quantitative InfraRed Thermography conference CY - Online meeting DA - 21.09.2020 KW - Additive Manufacturing KW - Process monitoring KW - Thermography KW - L-PBF KW - Time over threshold PY - 2020 AN - OPUS4-51630 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -