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Organisationseinheit der BAM
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Im Rahmen des Themenfeldprojektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM) gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren zur in-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung.
Einige der wichtigsten Messgrößen sind hierbei die Temperatur des Schmelzbades und die Abkühlrate, welche starken Einfluss auf das Gefüge und die Eigenspannung haben. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zu Temperaturbestimmung an. Hierbei stellen jedoch u. a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen der verwendeten Legierung große experimentelle Herausforderungen dar. Eine weitere Herausforderung stellt für die IR-Spektroskopie die Absorption durch das Schutzgas und weitere optische Elemente dar. Um diese auch in einem industriellen Umfeld kompensieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, die das gemessene Spektrum bei der Verfestigung des Werkstoffes als Referenz nutzt. In diesem Beitrag wird die Anwendung dieser Methode für die IR-Spektrometrie als auch Thermografische Messungen beim Laser-Pulver-Auftragschweißen von 316L gezeigt, wobei beide Methoden weiterhin in Hinblick auf ihre individuellen Vor- und
Nachteile miteinander verglichen werden.
In this paper shortwave infrared (SWIR) thermographic measurements of the manufacturing of thin single-line walls via laser metal deposition (LMD) are presented. As the thermographic camera is mounted fixed to the welding arm, an acceleration sensor was used to assist in reconstructing the spatial position from the predefined welding path. Hereby we could obtain data sets containing the size of the molten pool and the oxide covered areas as functions of the position in the workpiece. Furthermore, the influence of the acquisition wavelength onto the thermograms was investigated in a spectral range from 1250 nm to 1550 nm. All wavelengths turned out to be usable for the in-situ process monitoring of the LMD process. The longer wavelengths are shown to be beneficial for the lower temperature range, while shorter wavelengths show more details within the molten pool.
Laser powder bed fusion is one of the most promising additive manufacturing techniques for printing complex-shaped metal components. However, the formation of subsurface porosity poses a significant risk to the service lifetime of the printed parts. In-situ monitoring offers the possibility to detect porosity already during manufacturing. Thereby, process feedback control or a manual process interruption to cut financial losses is enabled.
Short-wave infrared thermography can monitor the thermal history of manufactured parts which is closely connected to the probability of porosity formation. Artificial intelligence methods are increasingly used for porosity prediction from the obtained large amounts of complex monitoring data. In this study, we aim to identify the potential and the challenges of deep-learning-assisted porosity prediction based on thermographic in-situ monitoring.
Therefore, the porosity prediction task is studied in detail using an exemplary dataset from the manufacturing of two Haynes282 cuboid components. Our trained 1D convolutional neural network model shows high performance (R² score of 0.90) for the prediction of local porosity in discrete sub-volumes with dimensions of (700 x 700 x 40) μm³.
It could be demonstrated that the regressor correctly predicts layer-wise porosity changes but presumably has limited capability to predict differences in local porosity. Furthermore, there is a need to study the significance of the used thermogram feature inputs to streamline the model and to adjust the monitoring hardware. Moreover, we identified multiple sources of data uncertainty resulting from the in-situ monitoring setup, the registration with the ground truth X-ray-computed tomography data and the used pre-processing workflow that might influence the model’s performance detrimentally.