TY - CONF A1 - Mohr, Gunther T1 - Repräsentative Prüfkörper – Ein Beitrag zur Komponentensicherheit beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) N2 - Die thermische Historie beim additiven Aufbau von komplexen Realkomponenten und geometrisch primitiven Prüfkörpern unterscheidet sich signifikant. Daraus können Eigenschaftsunterschiede resultieren, die zu unterschiedlichem Materialverhalten führen können. In diesem Vortrag wird das Konzept repräsentativer Probekörper eingeführt, das eine Übertragung thermischer Historien von komplexen Geometrien auf einfache Geometrien ermöglicht und hierdurch zu einer besseren Vergleichbarkeit der Werkstoffeigenschaften führen soll. T2 - Schweißen - Österreichs Fachmesse für Füge-, Trenn- und Beschichtungstechnik CY - Wels, Austria DA - 23.04.2024 KW - Additive manufacturing KW - Thermal history KW - Laboratory specimens KW - In situ monitoring KW - Representative specimens PY - 2024 AN - OPUS4-60261 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Engelking, Lorenz T1 - Zum Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenschaften und Beanspruchungen bei hybrid-additiver Fertigung hochfester Stähle mittels MSG-Prozessen N2 - Der Einsatz von Stählen mit höheren Streckgrenzen erlaubt die Reduzierung von Wandstärken, Bauteilgewicht und Fertigungskosten. Mittels hybrid-additiver Fertigung auf Basis von MSG-Schweißverfahren (DED-Arc) können hocheffizient Bauteilmodifikationen und -reparaturen an Halbzeugen sowie (primär) additiv gefertigten Strukturen realisiert werden. Der breiten Anwendung, gerade bei KMU, stehen noch wesentliche Fragestellungen entgegen. Neben der fertigungstechnischen Gestaltung, Aufbaustrategie und geometrischen Bauteiladaption für Modifikatio-nen oder Reparaturen betrifft dies die schweißbedingten Beanspruchungen im Zusammenhang mit den mikrostruk-turellen Einflüssen durch die additiven Fertigungsschritte insbesondere im Anbindungsbereich von Substrat und Schweißzusatzwerkstoff. Hierfür werden in einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1660/IGF22628BG) der BAM und der TU Chemnitz systematisch Kenntnisse zur metallurgischen Auswirkung sowie zu den resultieren-den Spannungen und Dehnungen beim hybrid-additiven MSG-Schweißen von hochfesten Stählen speziell im Übergangsbereich zwischen Substrat und additiv gefertigter Struktur erarbeitet. Der vorliegende Beitrag fokussiert die durchgeführten Analysen zur Auswirkung der Wärmeführung der AM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge und Eigenspannungen, insbesondere im Anbindungsbereich. Hierfür wurden definierte Probenkörper vollautomatisiert mit einem hochfesten speziell für DED-Arc angepassten Massivdraht (Streckgrenze > 790 MPa) auf Substrat-Körper aus S690QL-Grundwerkstoff geschweißt und die Arbeitstemperatur sowie die Streckenenergie innerhalb eines Design of Experiments variiert. Hinsichtlich der Schweißwärmeführung wurden t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Wärmeführung auf die lokalen Eigenspannungen insbesonde-re im Anbindungsbereich. Mit den Ergebnissen lassen sich Verarbeitungsempfehlungen erarbeiten, um DED-Arc-Prozesse für beanspruchungsgerechte und risssichere hybrid-additive Fertigung zur Bauteilmodifizierung und -reparatur zu etablieren. Dies ermöglicht gerade KMU eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Fertigung hochfester Stahlkomponenten. T2 - 6. Symposium Materialtechnik CY - Clausthal-Zellerfeld, Germany DA - 20.02.2025 KW - DED-Arc KW - Eigenspannung KW - Wärmeführung PY - 2025 AN - OPUS4-62618 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Scharf-Wildenhain, R. T1 - Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenschaften und fertigungsbedingten Beanspruchungen additiv geschweißter hochfester Feinkornbaustähle N2 - Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Kommerzielle hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Derzeit ist jedoch eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse untersucht. Im Fokus dieser Analysen steht die Bestimmung der Wechselwirkungen zwischen WAAM-Prozessparametern bzw. der Wärmeführung auf das Gefüge und die Eigenspannungen. Hierfür werden Referenzproben als offene Hohlquader mit definierten Abmessungen vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die gezielte Einstellung der geometrischen Eigenschaften erfolgt durch Schweißparameter und Nahtaufbau bei ca. 4 kg/h mittlerer Abschmelzleistung. Die Wärmeführung wird innerhalb eines statistischen Versuchsplanes mittels Streckenenergie (200 kJ/m bis 650 kJ/m) und Zwischenlagentemperatur (100 °C bis 300 °C) so variiert, dass die t8/5-Abkühlzeiten dem empfohlenen Verarbeitungsbereich entsprechen (ca. 5 s bis 20 s). Ziel ist es bei konstanten geometrisch-konstruktiven Randbedingungen, den Einfluss der Wärmeführung auf Gefüge und resultierende Eigenspannungen zu analysieren. Für die Streckenenergie können neben den Gefügeeinflüssen aufgrund der resultierenden Abkühlzeit deutliche Effekte insbesondere auf die lokalen Eigenspannungen im Bauteil belegt werden. Das Schweißen mit zu hoher Wärmeeinbringung bzw. Abschmelzleistung kann zu ungünstigen Gefüge- und Bauteileigenschaften führen, gleichzeitig jedoch niedrigere Zugeigenspannungsniveaus bewirken. Solche komplexen Wechselwirkungen gilt es letztlich mit diesen Untersuchungen zu klären, um leicht anwendbare Verarbeitungsempfehlungen und Normvorgaben für ein wirtschaftliches, anforderungsgerechtes und risssicheres WAAM von hochfesten Stählen den Anwendern zur Verfügung zu stellen. T2 - DVS Congress 2021 CY - Online meeting DA - 14.09.2021 KW - MAG-Schweißen KW - Additive Fertigung KW - Eigenspannungen KW - Kaltrisssicherheit KW - Hochfester Stahl PY - 2021 AN - OPUS4-56668 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Engelking, Lorenz T1 - Zum Einfluss der Wärmeführung auf die Eigenschaften und Beanspruchungen bei hybrid-additiver Fertigung hochfester Stähle mittels MSG-Prozessen N2 - Der Einsatz von Stählen mit höheren Streckgrenzen erlaubt die Reduzierung von Wandstärken, Bauteilgewicht und Fertigungskosten. Mittels hybrid-additiver Fertigung auf Basis von MSG-Schweißverfahren (DED-Arc) können hocheffizient Bauteilmodifikationen und -reparaturen an Halbzeugen sowie (primär) additiv gefertigten Strukturen realisiert werden. Der breiten Anwendung, gerade bei KMU, stehen noch wesentliche Fragestellungen entgegen. Neben der fertigungstechnischen Gestaltung, Aufbaustrategie und geometrischen Bauteiladaption für Modifikatio-nen oder Reparaturen betrifft dies die schweißbedingten Beanspruchungen im Zusammenhang mit den mikrostruk-turellen Einflüssen durch die additiven Fertigungsschritte insbesondere im Anbindungsbereich von Substrat und Schweißzusatzwerkstoff. Hierfür werden in einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1660/IGF22628BG) der BAM und der TU Chemnitz systematisch Kenntnisse zur metallurgischen Auswirkung sowie zu den resultieren-den Spannungen und Dehnungen beim hybrid-additiven MSG-Schweißen von hochfesten Stählen speziell im Übergangsbereich zwischen Substrat und additiv gefertigter Struktur erarbeitet. Der vorliegende Beitrag fokussiert die durchgeführten Analysen zur Auswirkung der Wärmeführung der AM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge und Eigenspannungen, insbesondere im Anbindungsbereich. Hierfür wurden definierte Probenkörper vollautomatisiert mit einem hochfesten speziell für DED-Arc angepassten Massivdraht (Streckgrenze > 790 MPa) auf Substrat-Körper aus S690QL-Grundwerkstoff geschweißt und die Arbeitstemperatur sowie die Streckenenergie innerhalb eines Design of Experiments variiert. Hinsichtlich der Schweißwärmeführung wurden t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt. Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Einfluss der Wärmeführung auf die lokalen Eigenspannungen insbesonde-re im Anbindungsbereich. Mit den Ergebnissen lassen sich Verarbeitungsempfehlungen erarbeiten, um DED-Arc-Prozesse für beanspruchungsgerechte und risssichere hybrid-additive Fertigung zur Bauteilmodifizierung und -reparatur zu etablieren. Dies ermöglicht gerade KMU eine wirtschaftliche und ressourcenschonende Fertigung hochfester Stahlkomponenten. T2 - NA 092-00-05 GA Gemeinschaftsarbeitsausschuss NAS/NMP, Zerstörende Prüfung von Schweißverbindungen CY - Online meeting DA - 20.03.2025 KW - DED-Arc KW - Eigenspannung KW - Wärmeführung PY - 2025 AN - OPUS4-62746 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Wandtke, Karsten T1 - Generative Fertigung und Kaltrisssicherheit N2 - Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über ein großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. In dieser Präsentation werden erste Ergebnisse der Eigenspannungsanalysen von additiv gefertigten Bauteilen aus hochfestem Stahl vorgestellt. T2 - Bachelor-, Master-, Doktoranden-Kolloquium CY - Online meeting DA - 10.06.2021 KW - Additive Fertigung KW - Wärmeführung KW - Hochfester Stahl KW - Eigenspannungen KW - Härteprüfung nach Vickers PY - 2021 AN - OPUS4-53326 LA - deu 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 - 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 - 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 - Oster, Simon T1 - Prozessüberwachung mittels Thermografie im Laser-Pulverbettschweißen zur Vorhersage von Fehlstellen im Bauteilvolumen N2 - Metallbasierte additive Fertigungsverfahren werden zunehmend industriell zur Anfertigung von komplex geformten Komponenten eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist das Laser-Pulverbettschweißen von Metall (PBF-LB/M) ist ein weitläufig genutztes Verfahren. Im PBF-LB/M-Prozess werden lagenweise aufgetragene Metallpulverschichten selektiv mittels eines Lasers aufgeschmolzen. Die Entstehung von internen Fehlstellen (bspw. Porosität, Lunker oder Risse) während des Fertigungsvorgangs stellt ein ernstzunehmendes Risiko für die Bauteilsicherheit und somit für die weitere industrielle Etablierung des Verfahrens dar. Die Entstehung von Fehlstellen hängt eng mit lokalen Änderungen der thermischen Historie des Bauteils zusammen. Mit Hilfe von thermografischen Kameras zur Prozessüberwachung kann die thermische Historie bereits während der Fertigung erfasst werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, die Entstehung von Fehlstellen anhand der thermografischen Daten vorherzusagen und somit potenziell Kosten für eine nachgelagerte Qualitätssicherung einzusparen. In diesem Beitrag soll die Modellierung der Fehlstellenvorhersage anhand thermografischer Prozessdaten diskutiert werden. Hierbei liegt ein Schwerpunkt auf der Fragestellung, mit welcher Genauigkeit unterschiedliche Formen von Fehlstellen, im speziellen Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität, auf lokaler Bauteilebene vorhergesagt werden können. Weiterhin werden verschiedenen Modelltypen aus dem Bereich des Maschinellen Lernens auf ihre Eignung für die Fehlstellenvorhersage verglichen. Ein weiterer zentraler Aspekt in diesem Zusammenhang ist die Untersuchung der Eingangsdaten des Modells auf ihre Relevanz für das Vorhersageergebnis. Als Datengrundlage für die durchgeführten Untersuchungen dienen die Fertigungsprozesse von zwei identischen Haynes-282-Bauteilen (Nickel-Basislegierung), welche mit Hilfe einer im kurzwelligen Infrarotbereich arbeitenden Thermografiekamera überwacht wurden. Das Bauteildesign umfasste lokale Bereiche, in denen mit Hilfe einer Parametervariation die Entstehung von Fehlstellen forciert wurde. Um die Position und Größe der entstandenen Defekte zu quantifizieren, wurden beide Bauteile nach erfolgter Fertigung mittels Computertomografie (CT) geprüft. Im Rahmen der Datenvorbereitung für die Modellierung erfolgte eine Reduzierung der erhobenen Thermogramme zu physikalisch-interpretierbaren Merkmalen (bspw. Schmelzbadfläche oder Zeit-über-Schwellwert). Weiterhin erfolgte eine Registrierung der thermografischen Daten mit den Fehlstellen-Referenzdaten der CT, um eine exakte örtliche Überlagerung von thermischer Information und lokalem Fehlstellenbild zu erzielen. Zur Ermöglichung einer lokalen Fehlstellenvorhersage wurden die thermografischen Daten schichtweise in kleinteiligen Volumina angeordnet, welche als Eingangsgröße für die genutzten ML-Algorithmen dienten. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich die Porosität auf Bauteilschichtebene mit einer hohen Genauigkeit vorhersagen lässt. Eine Vorhersage der Porosität auf lokaler Bauteilebene erweist sich noch als herausfordernd. Die erprobten ML-Algorithmen zeigen vergleichbare Ergebnisse, obwohl ihnen unterschiedliche Modellierungsannahmen zugrunde liegen und sie variierende Komplexität aufweisen. Mit Hilfe der erzielten Erkenntnisse eröffnet sich die Möglichkeit, Rückschlüsse auf die gewählte Prozessüberwachungshardware und Datenvorverarbeitung zu ziehen und somit langfristig die Leistungsfähigkeit von Modellen zur Fehlstellenvorhersage zu verbessern. T2 - Temperatur 2024 CY - Berlin, Germany DA - 05.06.2024 KW - Laser-Pulverbettschweißen KW - Porositätsvorhersage KW - Qualitätsüberwachung KW - Thermografie KW - Machine Learning PY - 2024 AN - OPUS4-60267 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 -