8.3 Thermografische Verfahren
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Fused filament fabrication (FFF) is a material extrusion-based technique often used in desktop 3D printers. Polymeric filaments are melted and are extruded through a heated nozzle to form a 3D object in layers. The extruder temperature is therefore a key parameter for a successful print job but also one of the main emission driving factors as harmful pollutants (e.g., ultrafine particles) are formed by thermal polymer degradation. The awareness of potential health risks has increased the number of emission studies in the past years. However, studies usually refer their calculated emission data to the printer set extruder temperature for comparison purposes. In this study, we used a thermocouple and an infrared camera to measure the actual extruder temperature and found significant temperature deviations to the displayed set temperature among printer models. Our result shows that printing the same filament feedstocks with three different printer models and with identical printer set temperature resulted in a variation in particle emission of around two orders of magnitude. A temperature adjustment has reduced the variation to approx. one order of magnitude. Thus, it is necessary to refer the measured emission data to the actual extruder temperature as it poses a more accurate comparison parameter for evaluation of the indoor air quality in user scenarios or for health risk assessments.
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.
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.
Undetected and undesired microstructural variations in components produced by laser powder bed fusion are a major challenge, especially for safety-critical components. In this study, an in-depth analysis of the microstructural features of 316L specimens produced by laser powder bed fusion at different levels of volumetric energy density and different levels of inter layer time is reported. The study has been conducted on specimens with an application relevant build height
(>100 mm). Furthermore, the evolution of the intrinsic preheating temperature during the build-up of specimens was monitored using a thermographic in-situ monitoring set-up. By applying recently determined emissivity values of 316L powder layers, real temperatures could be quantified. Heat accumulation led to preheating temperatures of up to about 600 °C. Significant differences in the preheating temperatures were discussed with respect to the individual process parameter combinations, including the build height. A strong effect of the inter layer time on the heat accumulation was observed. A shorter inter layer time resulted in an increase of the preheating temperature by more than a factor of 2 in the upper part of the specimens compared to longer inter layer times. This, in turn, resulted in heterogeneity of the microstructure and differences in material properties within individual specimens. The resulting differences in the microstructure were analyzed using electron back scatter diffraction and scanning electron microscopy. Results from chemical analysis as well as electron back scatter diffraction measurements indicated stable conditions in terms of chemical alloy composition and austenite phase content for the used set of parameter combinations. However, an increase of the average grain size by more than a factor of 2.5 could be revealed within individual specimens. Additionally, differences in feature size of the solidification cellular substructure were examined and a trend of increasing cell sizes was observed. This trend was attributed to differences in solidification rate and thermal gradients induced by differences in scanning velocity and preheating temperature. A change of the thermal history due to intrinsic preheating could be identified as the main cause of this heterogeneity. It was induced by critical combinations of the energy input and differences in heat transfer conditions by variations of the inter layer time. The microstructural variations were directly correlated to differences in hardness.
Einer der aussichtsreichsten Ansätze, die Qualität und Sicherheit der gefertigten Teile in der metallbasierten additiven Fertigung (AM) zu erhöhen und die Notwendigkeit aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen (ZfP) nach der Fertigung zu verringern, liegt in dem Einsatz von in-situ Prozessüberwachungstechniken. Viele wichtige Prozessgrößen bei der additiven Fertigung sind thermischer Natur, wie z.B. die Temperatur des Schmelzbades. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zur Temperaturbestimmung an. Für die Thermografie und Optische Emissionsspektrometrie im IR-Bereich, welche für die in-situ Anwendung prinzipiell als geeignet angesehen werden können, gibt es allerdings noch wenig konkrete praktische Umsetzungen, da die Möglichkeiten und individuellen Grenzen dieser Methoden, angewendet auf AM, noch nicht ausreichend erforscht sind. Aus diesem Grund verfolgt die BAM mit dem Projekt „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) im Themenfeld Material das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile weiterzuentwickeln.
Im Beitrag wird der Fokus auf eine Versuchsserie gelegt, bei der Aufbau von Probekörpern aus dem austenitischen Edelstahl 316L mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) durch od. mit Hilfe von IR-Spektrometrie und Thermografie in-situ überwacht wurde. Hierbei stellen u.a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen des Metalls große experimentelle Herausforderungen dar, wobei jede Methode individuelle Vor- und Nachteile aufweist, welche verglichen werden.
During the last years Additive Manufacturing (AM) became increasingly important. That becomes clear, while looking at the advantages like a high degree of freedom concerning the geometry of the parts, low waste rates and a reduction of postprocessing, to name just three. Laser Metal Deposition (LMD) is one of those AM- methods. It can be used for different kinds of applications, e.g. repair weldings of used parts, coatings to increase the corrosion resistance or to build up new components. But for all applications, the production of defect free parts is crucial. Therefore, different kinds of non-destructive monitoring techniques were tested for the LMD-process to identify their potential to detect imperfections in-situ.
For metal-based additive manufacturing, sensors and measuring systems for monitoring of the energy source, the build volume, the melt pool and the component geometry are already commercially available. Further methods of optics, spectroscopy and non-destructive testing are described in the literature as suitable for in-situ application, but there are only a few reports on practical implementations.
Therefore, a new BAM project aims to develop process monitoring methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components. In addition to passive and active thermography, this includes optical tomography, optical emission and absorption spectroscopy, eddy current testing, laminography, X-ray backscattering and photoacoustic methods. These methods are used in additive manufacturing systems for selective laser melting, laser metal deposition and wire arc additive manufacturing. To handle the sometimes huge amounts of data, algorithms for efficient preprocessing are developed and characteristics of the in-situ data are extracted and correlated to defects and inhomogeneities, which are determined using reference methods such as computer tomography and metallography. This process monitoring and fusion of data of different measurement techniques should result in a significant reduction of costly and time-consuming, destructive or non-destructive tests after the production of the component and at the same time reduce the production of scrap.
Here, first results of simultaneous measurements of optical emission spectroscopy and thermography during the laser metal deposition process using 316L as building material are presented. Temperature values are extracted from spectroscopic data by fitting of blackbody emission spectra to the experimental data and compared with results from a thermographic camera. Measurements with and without powder flow reveal significant differences between welding at a pristine metal surface and previously melted positions on the build plate, illustrating the significant influence of the partial oxidation of the surface during the first welding process on subsequent welding. The measurement equipment can either be mounted stationary or following the laser path. While first results were obtained in the stationary mode, future applications for online monitoring of the build of whole parts in the mobile mode are planned.
This research was funded by BAM within the focus area Material.