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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.
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.
The quality of additively manufactured components is significantly influenced by the process parameters used during production. Thus, sensors and measuring systems are already commercially available for process monitoring, at least in metal-based additive manufacturing. However, it is not yet possible to detect defects and inhomogeneities directly or indirectly during the building process. The aim of the project ProMoAM is to develop spectroscopic and non-destructive testing methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components in laser- or arc-based AM processes. In addition to passive and active methods of thermography, this includes optical tomography, optical emission spectroscopy, eddy current testing, laminography (radiography), X-ray backscattering, particle emission spectroscopy and photoacoustic methods.
Die Thermografie beruht auf der bildlichen Darstellung von Temperaturunterschieden oder auch thermischen Kontrasten an der Oberfläche eines Untersuchungsobjektes. Diese bilden sich nur her-aus, wenn sich das Untersuchungsobjekt gerade erwärmt oder abkühlt. Der Beitrag erklärt mittels eines stark vereinfachten Modells die Entstehung solcher Kontraste als dynamischen Effekt verschiedener Abkühlgeschwindigkeiten. Neben Laborergebnissen werden beispielhaft einige Ergeb-nisse von einem mittelalterlichen Baudenkmal präsentiert, um das Verständnis für die thermografische Inspektion von Fassaden zu vertiefen.
In order to test their suitability different non-destructive methods were performed to inspect a GFRP plate with artificial defects. These defects were manufactured by means of thin PTFE sheets inserted between two plies in three different depth. The inspection methods were microwave reflection, flash thermography and phased array ultrasonics, all applied to the same specimen. Selected results are shown for all methods demonstrating opportunities and limits of the particular inspection methods. The achieved detection limits and further application aspects are compared directly to provide a useful information for the planning of inspection tasks.
Additive manufacturing (AM) offers a range of novel applications. However, the manufacturing process is complex and the production of defect-free parts with high reliability and durability is still a challenge. Thermography is a valuable tool for process surveillance, especially in metal AM processes. The high process temperatures allow one to use cameras usually operating in the visible spectral range. Here, we compare the results of measurements during the manufacturing process of a commercial laser metal deposition setup using a mid-wavelength-IR camera with those from a visual spectrum high-speed camera with band pass filter in the near-IR range.
Quantification of impact damages in CFRP and GFRP structures with thermography and ultrasonics
(2018)
For the quantification of impact damage in CFRP and GFRP structures, first passive thermography measurements have been performed at the front and rear side of the test specimens during low velocity impact load. After loading, the damaged structures have been investigated non-destructively with active thermography with flash excitation and with step heating and with two different ultrasonic methods (phased array and air coupled ultrasonics). The damage sizes quantified with all methods are evaluated and compared. In addition, the depth of the greatest damage inside the different test specimens is analysed.
Es wird ein Verfahren zur Charakterisierung der Beständigkeit und Langzeitstabilität von additiv gefertigten Kunststoff-Bauteilen vorgestellt. Dabei sollen die Prüfkörper über 2000 Stunden künstlich bewittert und währenddessen die Änderungen der Eigenschaften der Bauteile zerstörungsfrei untersucht werden.
Mit additiven Fertigungsverfahren hergestellte Bauteile und Produkte aus Kunststoffen werden zunehmend nicht mehr nur als Prototypen, sondern als voll funktionsfähige Bauteile und Produkte gefertigt. Bedingt durch die Fertigungsprozesse und den schichtweisen Aufbau resultieren physikalische Materialeigenschaften, die stark von den Fertigungsparametern abhängen und zudem anisotrop sind. Von den Fertigungsparametern werden auch die Oberflächeneigenschaften beeinflusst, sodass zu erwarten ist, dass sich die Beständigkeit gegenüber äußeren Umwelteinflüssen bei additiv gefertigten Bauteilen von der konventionell gefertigter unterscheiden kann. Nachfolgend wird daher die Entwicklung eines Qualitätssicherungskonzeptes basierend auf spektroskopischen und zerstörungsfreien Prüfverfahren vorgestellt, in dem der Alterungsprozess von mittels Fused Deposition Modelling (FDM) und mittels Lasersintering (LS) hergestellten Probekörpern untersucht wird.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
Der Umfang der durch Impacts in Faserverbundmaterialien erzeugten Schäden ist abhängig von der Energie des Impacts, von der Zusammensetzung und dem Aufbau der Faserverbundwerkstoffe und von der Geometrie der Bauteile und hier im Wesentlichen von der Dicke des Bauteils. Der zerstörungsfreie Nachweis dieser Schädigungen kann sowohl mit Ultraschallverfahren als auch mit Verfahren der aktiven Thermografie erfolgen. Ein Vergleich der Nachweisempfindlichkeiten dieser Verfahren für die unterschiedlichen Schädigungen wird in diesem Beitrag in Abhängigkeit vom verwendeten Faserverbundwerkstoff (CFK und GFK), der Dicke des Materials und von der Impactenergie durchgeführt. Ergänzt werden die im Anschluss an die Schädigung eingesetzten ZfP-Verfahren mit zeitlich hochaufgelösten Thermografiemessungen, die bereits während des Impacts aufgenommen wurden.
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.
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.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring of metal additive manufacturing processes. Especially in laser powder bed fusion processes, the high process dynamics and the strong focus of the laser beam cause a very complex thermal history within the produced specimens, such as multiple heating cycles within single layer expositions. This complicates data interpretation, e.g., in terms of cooling rates. A quantity that is easily calculated is the time a specific area of the specimen is at a temperature above a chosen threshold value (TOT). Here, we discuss variations occurring in time-over-threshold-maps during manufacturing of an almost defect free cuboid specimen.
More than 80 representatives of SMEs, industrial companies and research institutes met on September 12 at the workshop "Challenges in Additive Manufacturing: Innovative Materials and Quality Control" at BAM in Adlershof to discuss the latest developments in materials and quality control in additive manufacturing.
In special lectures, researchers, users and equipment manufacturers reported on the latest and future developments in additive manufacturing. Furthermore, funding opportunities for projects between SMEs and research institutions on a national and European level were presented.
Impact damages and delaminations in fibre-reinforced composites (FRC) might not be visible at the surface, but could have an influence on the resistance and on the long-term behaviour of the component. Therefore, and especially for safety relevant structures, non-destructive methods are required for the assessment of such damages.
Active thermography methods are suitable to characterize damages after loading using different kind of excitation techniques and various configurations of infrared (IR) camera and heating sources. Here, flash lamps, impulse excitation with infrared radiator and lock-in technique with halogen lamps or widened laser beams are suited. In addition, non-optical sources like sonotrodes (requiring direct contact to the structure) or induction generators (only suited for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures) could be applied as well. For the investigation of the evolution of the damage during the impact, passive thermography can be applied in-situ. Elastic and plastic deformations alter the temperature of the structure and thus the temperature on the surface.
In this contribution, at first the general principles of quantitative defect characterisation in FRC using active thermography with flash, impulse and lock-in excitation are described. Optical and thermal properties of the FRC material and its anisotropy are considered. Results of phase differences obtained at flat bottom holes with flash and lock-in thermography are compared for qualifying both methods for quantitative defect characterization. Secondly, the damage evolution of CFRP and GFRP structures under impact load and static tensile loading is described. The spatial and temporal evolution of the surface temperature enables us to distinguish matrix cracks or fibre-matrix separation from delaminations between the layers. Afterwards, all results for loading defects, obtained by passive and active thermography, are compared with each other. Fig. 1 and 2 show the difference of passive and flash thermography obtained at impact and tensile loaded CFRP plates, respectively. As one purpose of these investigations is the development of standards within national (DIN) and European (CEN) standardisation bodies, new draft and final standards are presented and further needs are discussed at the end of the presentation.