TY - CONF A1 - Becker, Tina A1 - Stark, T. A1 - Arduini, M. A1 - Manara, J. A1 - Altenburg, Simon 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 - Becker, Tina A1 - Stark, T. A1 - Arduini, M. A1 - Manara, J. A1 - Altenburg, Simon T1 - Knowing the spectral directional emissivity of 316L and AlSi10Mg PBF-LB/M surfaces: Gamechanger for quantitative in situ monitoring JF - Progress in additive manufacturing 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 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-601471 DO - https://doi.org/10.1007/s40964-024-00665-2 SN - 2363-9520 SP - 1 EP - 10 PB - Springer CY - Cham, Switzerland AN - OPUS4-60147 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Tina A1 - Breese, Philipp P. A1 - Oster, Simon A1 - Altenburg, Simon J. 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 A1 - Scheuschner, Nils A1 - Chand, Keerthana A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Becker, Tina A1 - Heinrichsdorff, F. A1 - Altenburg, Simon T1 - From Thermographic In-situ Monitoring to Porosity Detection – A Deep Learning Framework for Quality Control in Laser Powder Bed Fusion T2 - SMSI - Sensor and Measurement Science International - Proceedings N2 - In this study, we present an enhanced deep learning framework for the prediction of porosity based on thermographic in-situ monitoring data of laser powder bed fusion processes. The manufacturing of two cuboid specimens from Haynes 282 (Ni-based alloy) powder was monitored by a short-wave infrared camera. We use thermogram feature data and x-ray computed tomography data to train a convolutional neural network classifier. The classifier is used to perform a multi-class prediction of the spatially resolved porosity level in small sub-volumes of the specimen bulk. T2 - SMSI - Sensor and Measurement Science International 2023 CY - Nürnberg, Germany DA - 08.05.2023 KW - Porosity KW - Laser powder bed fusion KW - In-situ monitoring KW - Thermography KW - Machine Learning PY - 2023 UR - https://www.ama-science.org/proceedings/details/4404 DO - https://doi.org/10.5162/SMSI2023/C5.4 SP - 179 EP - 180 AN - OPUS4-57616 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Becker, Tina A1 - Breese, Philipp P A1 - Metz, Christian A1 - Altenburg, Simon T1 - In-situ monitoring for PBF-LB/M processes: Does multispectral optical tomography add value in recognizing process deviations? JF - IOP Conference Series: Materials Science and Engineering N2 - Laser powder bed fusion of metallic components (PBF-LB/M) is gaining acceptance in industry. However, the high costs and lengthy qualification processes required for printed components create the need for more effective in-situ monitoring and testing methods. This article proposes multispectral Optical Tomography (OT) as a new approach for monitoring the PBF-LB/M process. Compared to other methods, OT is a low-cost process monitoring method that uses long-time exposure imaging to observe the build process. However, it lacks time resolution compared to expensive thermographic sensor systems. Monochromatic OT (1C-OT) is already commercially available and observes the building process layer-wise using a single wavelength window in the NIR range. Multispectral OT (nC-OT) utilizes a similar setup but can measure multiple wavelength ranges per location simultaneously. By comparing the classical 1C-OT and nC-OT approaches, this article examines the advantages of nC-OT (two channel OT and RGB-OT) in reducing the false positive rate for process deviations and approximating maximum temperatures for a better comparison between different build processes and materials. This could ultimately reduce costs and time for part qualification. The main goal of this contribution is to assess the advantages of nC-OT compared to 1C-OT for in-situ process monitoring of PBF-LB/M. T2 - Nolamp 2023 CY - Turku, Finland DA - 22.08.2023 KW - Thermography KW - Process Monitoring KW - Additive manufacturing KW - BPF-LB/M KW - In-situ PY - 2023 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-592498 DO - https://doi.org/10.1088/1757-899X/1296/1/012008 VL - 1296 SP - 1 EP - 11 PB - IOP Publishing CY - Bristol, UK AN - OPUS4-59249 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Becker, Tina A1 - Altenburg, Simon A1 - Metz, Christian A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Oster, Simon A1 - Maierhofer, Christiane 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 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 T2 - DGZfP-Berichtsband 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 - Becker, Tina A1 - Altenburg, Simon A1 - Scheuschner, Nils A1 - Maierhofer, Christiane T1 - Multi measurand in-situ monitoring of the laser powder bed fusion process by means of multispectral optical tomography N2 - Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), as one of the most promising production process in the field of metal additive manufacturing, enables traditional constructive solutions to be rethought and the manufacturing of optimized components according to the "form follows function" principle. The most significant obstacle for a broad industrial application of the L-PBF process is the inadequate quality assurance during the manufacturing process so far, leading to high production costs. Although several mainly camera based commercial in-process monitoring systems are already available, a deep understanding of the interpretation of the monitored data and correlation with actual defects is still lacking. One reason for this is the reduction of the complex process signature to just one measurement value. The focus of this contribution is the presentation of the multispectral optical tomography as alternative to single measurand in-situ monitoring systems. The potential of this approach is hereby shown on L-PBF printed samples with induced process instabilities. Beyond that, an in-house developed L-PBF printer for further testing of multi-sensor in-situ monitoring systems is presented. T2 - ICAM2021 CY - Online meeting DA - 01.11.2021 KW - In-situ monitoring KW - L-PBF KW - Optical tomography KW - 3d printing KW - Thermography PY - 2021 AN - OPUS4-54388 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -