TY - CONF A1 - Breese, Philipp Peter A1 - Becker, Tina A1 - Oster, Simon A1 - Altenburg, Simon 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 - Breese, Philipp Peter A1 - Becker, Tina A1 - Oster, Simon A1 - Metz, C. A1 - Altenburg, Simon 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 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 - 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 AN - OPUS4-55040 LA - deu 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 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 - 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 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 -