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Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete praktische Umsetzungen.
Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert.
Die Schwerpunktthemen für die Forschung der BAM im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung werden vorgestellt. Es stehen die aktuellen Forschungsprojekte der Fachbereiche 8.1 bis 8.7 der Abteilung 8 und des Arbeitsgebietes Probabilistische Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen von Frau Dr. Bertovic sowie der Nachwuchsgruppe von Frau JProf. Dr. Kruschwitz im Vordergrund.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
Es wurden Prüfkörper aus additiver Fertigung mittels Laser Sinter Verfahren (Polyamid 12, PA 12) und Fused Layer Modeling (Acrylnitril-Butadien-Styrol, ABS) sowie Prüfkörper aus dem Kunststoff-Spritzguss Verfahren (PA 12 und ABS) über 2000 Stunden künstlich bewittert. Vor, während und nach der Bewitterung erfolgte eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Thermografie, optischer Mikroskopie und spektralen Methoden (UV/VIS-Spektroskopie und spektrale Reflexion), um den Alterungsfortschritt zu untersuchen und Schäden durch die künstliche Bewitterung sowie eingedruckte Defekte zu identifizieren und zu detektieren.
Zusätzlich wurden zerstörende Zugprüfungen vorgenommen, welche mit einer IR-Kamera verfolgt wurden. Auf diese Weise konnten lokale Temperaturänderungen, hervorgerufen durch elastische sowie plastische Verformungen, zeitaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Der Beitrag beschreibt den Aufbau und die Entwicklung einer Heißluftquelle als Wärmequelle für die aktive Thermografie. Als Ausgangspunkt wird zunächst die Quellenlage betrachtet. In der Literatur über Thermografie spielt Heißluft als Wärmequelle nur in weniger als 0,1% eine Rolle, die Ursache dafür ist nicht bekannt. Es wird vermutet, dass dieser Erwärmungsmethode unterstellt wird, sie hätte Nachteile bezüglich Homogenität der Erwärmung sowie Leistungseintrag. In einer der raren Publikationen über einen Verfahrensvergleich schnitt die Heißluft-Thermografie jedoch nicht schlechter als die Vergleichsverfahren mit optischer Anregung ab, bei gleichzeitig deutlichem Zeitgewinn und geringerem technischen Aufwand.
Danach wird der fertige Versuchsaufbau mit seinen wesentlichen Komponenten dargestellt. Der Einfluss der Geometrie der Luftaustrittsdüse auf die erreichbare Wärmeverteilung an einem flachen Blech wurde an mehreren Düsen untersucht. Hierbei erwies sich eine langgestreckte Umlenkdüse mit einer Strahlumlenkung von etwa 20° als optimal zur Erzeugung einer möglichst homogenen Erwärmung.
Ein weiterer zu optimierender Parameter war die erreichbare Schaltdynamik des Heißgasstromes. Beim schnellen Schalten großer Volumenströme treten Druckstöße mit entsprechenden Temperaturänderungen auf. Hinzu kommt, dass der verwendete MFC (mass flow controller) bei großen Volumenströmen zum Einschwingen bei Schaltprozessen neigt.
Daher enthält der Aufbau einen offenen Bypass zur Stabilisierung des Volumenstroms. Mit dem so realisierten Messplatz wurde die Reproduzierbarkeit der erzielten Erwärmung durch mehrfache Wiederholungsmessungen über einen längeren Zeitraum untersucht. Hierzu wurde ein auch zu Validierungszwecken genutzter PVC-Block mit 13 mm Dicke jeweils für 60 s erwärmt und die Oberflächentemperatur des PVC-Blocks mit einer IR-Kamera aufgezeichnet. Bei jeweiligem Neuaufbau ohne Justierhilfe ergab sich eine Reproduzierbarkeit von etwa 22% bei 5 Versuchen. Unter Nutzung einer Justierhilfe (Schablone für Abstand in der Kamerasoftware) ließ sich die Reproduzierbarkeit auf 5% bei 7 Versuchen reduzieren.
Ein weiterer zu klärender Punkt war der erzielbare Wärmeeintrag im Vergleich zu einer Anregung mit Blitzlampen. Hierzu wurde eine Messung mit 60 s Heißluftheizung direkt mit einer Evaluierungsmessung mit Blitzlampen am gleichen PVC-Probekörper mit 4 FBB an der Rückseite verglichen. Die Inhomogenität der Erwärmung wurde durch eine Phasenauswertung unterdrückt. Die Phasenauswertung gestattete den Nachweis aller 4 FBB, wobei das Signal zu Rausch-Verhältnis bei der Heißlufterwärmung deutlich besser war. Der direkte Vergleich der Temperaturkurven zeigt, dass bei 60 s Heizlufterwärmung ca. 4,5 mal mehr Energie als bei der Blitzanregung vom Probekörper absorbiert wurde. Hieraus lässt sich die eingekoppelte Heizleistung mit 100 mW/cm² abschätzen. Das entspricht in etwa dem Niveau, wie es auch mit bewegten Halogenstrahlern, bewegten IR-Strahlern oder der Sonne erreicht wird.
Diese Ergebnisse belegen, dass eventuell vorhandene Vorbehalte gegenüber einer Heißluft als Wärmequelle für die aktive Thermografie zumindest für thermisch langsame Materialien wie Kunststoffe oder mineralische Baustoffe unbegründet sind. Die Einsatzgrenzen bei der Untersuchung thermisch schnellerer Materialien wie Metalle steht noch aus, hier ist mit Abstrichen zu rechnen. Auf der anderen Seite lässt eine mögliche Düsenoptimierung noch deutliche Verbesserungen erwarten.
Das vorgestellte Projekt beschäftigt sich mit den optischen, thermophysikalischen und mechanischen Materialeigenschaften von additiv gefertigten Kunststoffteilen und deren Alterung. Dazu wurden mittels Fused Layer Modeling (FLM) Probekörper aus ABS hergestellt, die anschließend für drei Monate einer künstlichen Bewitterung unterzogen wurden. Die dabei erzeugte definierte Alterung wurde nach drei Zeitabschnitten jeweils mit zerstörungsfreien Methoden charakterisiert. Dabei wurde neben den spektroskopischen Standardmethoden auch die aktive Thermografie eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mittels der Thermografie sowohl chemische Veränderungen als auch mechanische Schädigungen (Fehlstellen) darstellen lassen. Die Bewitterung beeinflusst die Teiltransparenz der Proben zumindest im sichtbaren Spektralbereich, was bei der Charakterisierung der Fehlstellen, die mittels optisch angeregter aktiver Thermografie detektiert wurden, berücksichtigt werden muss.
Im Rahmen des Themenfeld Projektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die BAM gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren, darunter die Thermografie, zur Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung.
In diesem Beitrag werden SWIR-Thermografiemessungen während des Bauprozesses mittels Laser Pulver Auftragsschweißen (LPA) vorgestellt. Eine Herausforderung im Rahmen dieser Messungen liegt in der Positionierung der Kamera, welche entweder fixiert am Schweißarm, also mitbewegt, oder fixiert in der Baukammer, also stationär, erfolgen kann, wobei beide Varianten mit individuellen Vor- und Nachteilen verbunden sind. Eine stationäre Befestigung der Kamera ermöglicht zwar eine einfachere Zuordnung der Messdaten zu der jeweiligen Position im Bauteil, führt jedoch bei komplexeren Geometrien zwangsläufig zu Problemen durch Abschattungen und zu defokussierten Bereichen. Zur Auswertung von Thermogrammen, welche durch eine mit dem Schweißarm mitbewegte Kamera aufgenommen wurden, sind hingegen für jedes Bild akkurate Positionsdaten der Kamera nötig um die Messdaten einer Position im Bauteil zuzuordnen. Da die Positionsdaten des Schweißarmes im allgemeinen Fall durch die Anlagensoftware nicht zur Verfügung gestellt werden, muss diese Information durch zusätzliche Messungen aufgezeichnet werden. Hierzu verwenden wir einen an der Kamera befestigten Beschleunigungssensor. Dieser ermöglicht einen zeitlichen Abgleich mit dem vorprogrammierten Verfahrweg des Schweißarmes, welcher im Allgemeinen noch Unsicherheiten bezüglich genauer Geschwindigkeiten und Beschleunigungen offenlässt. Weiterhin untersuchen wir den Einfluss des empfindlichen Spektralbereiches der IR-Kamera durch den Vergleich von Messungen mit verschiedenen schmalbandigen Bandpassfiltern (25 nm FWHM) in einem Bereich von 1150 nm bis 1550 nm.
Additiv gefertigte Prüfkörper aus Polyamid 12 (Laser Sinter Verfahren) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (Fused Layer Modeling Verfahren) wurden über 2000 Stunden künstlich bewittert und ihr Alterungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse wurden anschließend mit denen von Prüfkörpern verglichen, welche auf dieselbe Weise künstlich bewittert, aber mittels konventionellem KunststoffSpritzguss hergestellt wurden.