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Organisationseinheit der BAM
- 1 Analytische Chemie; Referenzmaterialien (7)
- 1.9 Chemische und optische Sensorik (7)
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (3)
- 9 Komponentensicherheit (3)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (3)
- 8.3 Thermografische Verfahren (2)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
Introduction: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an atomic emission analytical technique, wide spreading in laboratories and industries. One way to dramatically increase its analytical results is to deposit metal NPs on the sample surface, resulting in an better version called Nanoparticle Enhanced LIBS (NELIBS). In order to better know and use this technique, the evolution of the plasma has been studied with Tomography.
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 by laser metal deposition (LMD) requires continuous online monitoring to ensure quality of printed parts. Optical emission spectroscopy (OES) is proposed for the online detection of printing defects by monitoring minute variations in the temperature of a printed spot during laser scan. A two-lens optical system is attached to a moving laser head and focused on a molten pool created on a substrate during LMD. The light emitted by the pool is collected by an ultraviolet–visible (UV–vis) spectrometer and processed.
Two metrics are used to monitor variations in the surface temperature: the spectrally integrated emission intensity and correlation coefficient. The variations in the temperature are introduced by artificial defects, shallow grooves, and holes of various widths and diameters carved on a substrate surface. The metrics show sufficient sensitivity for revealing the surface defects, except for the smallest
holes with an under-millimeter diameter. Additionally, numeric simulations are carried out for the detection of emission in the UV–vis and near-infrared (NIR) spectral ranges at various surface temperatures. It is concluded that both the metrics perform better in the NIR range. In general, this work demonstrates that spectrally resolved OES suits well for monitoring surface defects during 3D metal
printing.
Additive Manufacturing (AM) becomes widespread in many technological fields including the precise machining of steel. To assure quality of final products, thorough monitoring of online process is required. We test several monitoring techniques during the AM printing to quickly detect and possibly correct flaws while building a workpiece. Here we show how optical emission spectroscopy can be used to recognize defects that are artificially introduced on a steel printing substrate.
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.
Laser metal deposition is a rapidly evolving method for additive manufacturing that combines high performance and simplified production routine. Quality of production depends on instrumental design and operational parameters that require constant control during the process. In this work, feasibility of using optical spectroscopy as a control method is studied via modeling and experimentally. A simplified thermal model is developed based on the time-dependent diffusion-conduction heat equation and geometrical light collection into detection optics. Intense light emitted by a laser-heated spot moving across a sample surface is collected and processed to yield the temperature and other temperature-related parameters. In a presence of surface defects the temperature field is distorted in a specific manner that depends on a shape and size of the defect. Optical signals produced by such the distorted temperature fields are simulated and verified experimentally using a 3D metal printer and a sample with artificially carved defects. Three quantities are tested as possible metrics for process monitoring: temperature, integral intensity, and correlation coefficient. The shapes of the simulated signals qualitatively agree with the experimental signals; this allows a cautious inference that optical spectroscopy is capable of detecting a defect and, possibly, predicting its character, e.g. inner or protruding.
While sensors for monitoring the energy source, the melt pool size or temperatures during the process of metal-based Additive Manufacturing (AM) systems are commercially available, the impact of their results on the part quality are often unclear. In the BAM project ProMoAM, results of different process monitoring techniques are combined to achieve quality assurance for the produced parts during the build. Here, first results of simultaneous measurements of optical emission spectroscopy and thermography during the laser metal deposition process using 316L are presented.