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The industrial use of additive manufacturing for the production of metallic parts with high geometrical complexity and lot sizes close to one is rapidly increasing as a result of mass individualisation and applied safety relevant constructions. However, due to the high complexity of the production process, it is not yet fully understood and controlled, especially for changing (lot size one) part geometries.
Due to the thermal nature of the Laser-powder bed fusion (L-PBF) process – where parts are built up layer-wise by melting metal powder via laser - the properties of the produced part are strongly governed by its thermal history. Thus, a promising route for process monitoring is the use of thermography. However, the reconstruction of temperature information from thermographic data relies on the knowledge of the surface emissivity at each position on the part. Since the emissivity is strongly changing during the process due to phase changes, great temperature gradients, possible oxidation, and other potential influencing factors, the extraction of real temperature data from thermographic images is challenging. While the temperature development in and around the melt pool, where melting and solidification occur is most important for the development of the part properties. Also, the emissivity changes are most severe in this area, rendering the temperature deduction most challenging.
A possible route to overcome the entanglement of temperature and emissivity in the thermal radiation is the use of hyperspectral imaging in combination with temperature emissivity separation (TES) algorithms. As a first step towards the combined temperature and emissivity determination in the L-PBF process, here, we use a hyperspectral line camera system operating in the short-wave infrared region (0.9 µm to 1.7 µm) to measure the spectral radiance emitted. In this setup, the melt pool of the L-PBF process migrates through the camera’s 1D field of view, so that the radiation intensities are recorded simultaneously for multiple different wavelength ranges in a spatially resolved manner. At sufficiently high acquisition frame rate, an effective melt pool image can be reconstructed. Using the grey body approximation (emissivity is independent of the wavelength), a first, simple TES is performed, and the resulting emissivity and temperature values are compared to literature values. Subsequent work will include reference measurements of the spectral emissivity in different states allowing its analytical parametrisation as well as the adaption and optimisation of the TES algorithms. An illustration of the proposed method is shown in Fig.1.
The investigated method will allow to gain a deeper understanding of the L-PBF process, e.g., by quantitative validation of simulation results. Additionally, the results will provide a data basis for the development of less complex and cheaper sensor technologies for L-PBF in-process monitoring (or for related process), e.g., by using machine learning.
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.
In-situ monitoring of the Laser Powder Bed Fusion build process via bi- chromatic optical tomography
(2022)
As metal additive manufacturing (AM) is entering industrial serial production of safety relevant components, the need for reliable process qualification is growing continuously. Especially in strictly regulated industries, such as aviation, the use of AM is strongly dependent on ensuring consistent quality of components. Because of its numerous influencing factors, up to now, the metal AM process is not fully controllable. Today, expensive part qualification processes for each single component are common in industry.
This contribution focusses on bi-chromatic optical tomography as a new approach for AM in-situ quality control. In contrast to classical optical tomography, the emitted process radiation is monitored simultaneously with two temperature calibrated cameras at two separate wavelength bands. This approach allows one to estimate the local maximum temperatures during the manufacturing process, thus increases the comparability of monitoring data of different processes. A new process information level at low investment cost is reachable, compared to, e.g., infrared thermography.
Results of the project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) presented. Results from in-situ eddy current testing, optical emission spectroscopy, thermography, optical tomography as well as particle and gas emission spectroscopy are summarized and correlated to results from computed tomography for future in-situ defect detection.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.
Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
In this chapter, the current state-of-the-art of in situ monitoring and in situ NDE methods in additive manufacturing is summarized. The focus is set on methods, which are suitable for making statements about the quality and usability of a component currently being manufactured. This includes methods which can be used to determine state properties like temperature or density, other physical properties like electrical or thermal conductivity, the microstructure, the chemical composition, the actual geometry, or which enable the direct detection of defects like cracks, voids, delaminations, or inclusions. Thus, optical, thermographic, acoustic, and electromagnetic methods, as well as methods being suitable for investigating particle and fume emission are presented. The requirements of in situ monitoring methods with a focus on thermographic methods are discussed by considering different additive manufacturing processes like laser powder bed fusion (PBF-LB/M) and direct energy deposition (DED-LB/M). Examples of the successful implementation and applications of such monitoring methods at BAM are given. The in situ monitoring and NDE methods are compared against post-process NDE methods. The advantages and challenges of in situ methods concerning real-time data analysis and the application of AI algorithms are addressed and discussed.