Klein, heiß und schnell: Bestimmung von Realtemperaturen in der metallbasierten additiven Fertigung mittels hyperspektraler Thermografie
- Die additive Fertigung von Metallen mittels Laser Powder Bed Fusion (PBF LB/M) ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und die Nutzung neuartiger Legierungen. Die dabei lokal im Prozess auftretenden Temperaturverteilungen beeinflussen maßgeblich die Bauteileigenschaften sowie die Entstehung von Defekten wie bspw. Risse und Poren. Eine quantitative Bestimmung der Realtemperaturen ist daher essenziell für Prozessvalidierung und -vergleich sowie die Qualitätssicherung und das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge. Bisherige thermografische Monitoring-Ansätze liefern jedoch meist nur qualitative Informationen. Hintergrund sind die Herausforderungen gegeben durch den Prozess: kleine Schmelzbäder (< 300 µm), hohe Temperaturen (> 2500 K) und hohe Scangeschwindigkeiten (ca. 1 m/s). Zusammen mit den dynamischen Änderungen des Emissionsgrads u.a. durch Phasenübergänge ergeben sich äußerst schwierige Bedingungen für thermografische Messungen.
Um dieserDie additive Fertigung von Metallen mittels Laser Powder Bed Fusion (PBF LB/M) ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien und die Nutzung neuartiger Legierungen. Die dabei lokal im Prozess auftretenden Temperaturverteilungen beeinflussen maßgeblich die Bauteileigenschaften sowie die Entstehung von Defekten wie bspw. Risse und Poren. Eine quantitative Bestimmung der Realtemperaturen ist daher essenziell für Prozessvalidierung und -vergleich sowie die Qualitätssicherung und das Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge. Bisherige thermografische Monitoring-Ansätze liefern jedoch meist nur qualitative Informationen. Hintergrund sind die Herausforderungen gegeben durch den Prozess: kleine Schmelzbäder (< 300 µm), hohe Temperaturen (> 2500 K) und hohe Scangeschwindigkeiten (ca. 1 m/s). Zusammen mit den dynamischen Änderungen des Emissionsgrads u.a. durch Phasenübergänge ergeben sich äußerst schwierige Bedingungen für thermografische Messungen.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, verfolgen wir einen neuartigen Ansatz zur hyperspektralen Thermografie, der eine simultane Messung der emittierten Strahlung im kurzwelligen Infrarotbereich (1 bis 1,6 µm) entlang einer Linie bei ca. 20 kHz ermöglicht. Durch die Bewegung des Schmelzbades senkrecht durch die Messlinie kann ein typisches Schmelzbad rekonstruiert werden. Die Temperatur-Emissionsgrad-Separation (TES) erlaubt dabei die Bestimmung von Realtemperaturen und Emissionsgraden basierend auf parametrisierten spektralen Emissionsgradfunktionen sowie radiometrischen Kalibrationen. Die Umsetzung erfolgt an der Forschungsmaschine der BAM „SAMMIE“, die speziell für thermografische Messungen am PBF LB/M-Prozess konzipiert wurde.
Die Ergebnisse zeigen das Potenzial der hyperspektralen Thermografie zur Erfassung von Realtemperaturen im Prozess. Dies stellt einen wichtigen Schritt zur verbesserten Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit der Fertigung sowie zur Validierung komplexer Simulationen dar. Damit trägt der neuartige Ansatz langfristig zur Erhöhung der Sicherheit und des Verständnisses additiver Fertigungsprozesse bei.…

