9 Komponentensicherheit
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Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring for metal additive manufacturing 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 a defect free cuboid specimen.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen mittels optischer Verfahren
(2020)
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. Bereits jetzt werden erste Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie kommerziell angeboten. Weitere ZfP Verfahren, wie z.B. die aktive und passive Thermografie, werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung angesehen, allerdings gibt es 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 zunächst das Projekt vorgestellt und anschließend der Fokus auf eine Messserie gelegt, in der Probekörper aus dem austenitischen Edelstahl 316L mit lokal variierenden Prozessparametern mittels selektiven Laserschmelzen (L-PBF) aufgebaut wurden. Der Bauprozess wurde hierbei durch das maschineneigene, koaxial arbeitende Photodiodensystem (Melt-Pool-Monitoring), einer Mittelwellen-Infrarotkamera und einer optischen Tomografiekamera im sichtbaren Wellenlängenbereich (Langzeitbelichtung für die Dauer eines Lagenaufbaus mit einer CMOS-Kamera mit hoher Ortsauflösung) simultan überwacht. Als Referenz für diese Methoden wurden die Probekörper mittels Computertomografie untersucht. Für die dabei anfallenden teils großen Datenmengen wurden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt. Es wurden Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche für die einzelnen Methoden vergleichend vorgestellt und diskutiert werden.
Material qualification for laser powder bed fusion (L-PBF) processes are often based on results derived from additively manufactured (AM) bulk material or small density cubes, although it is well known that the part geometry has a tremendous influence on the heat flux and, therefore, on the thermal history of an AM component. This study shows experimentally the effect of simple geometrical obstructions to the heat flux on cooling behavior and solidification conditions of 316L stainless steel processed by L-PBF. Additionally, it respects two distinct inter layer times (ILT) as well as the build height of the parts. The cooling behavior of the parts is in-situ traced by infrared (IR) thermography during the built-up. The IR signals reveal significant differences in cooling conditions, which are correlated to differences in melt pool geometries. The acquired data and results can be used for validation of computational models and improvements of quality assurance.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in situ mittels Thermographiekamera überwacht, sodass Informationen über das Abkühlverhalten der Bauteile während des Prozesses gewonnen werden konnten. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
Für die Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) werden Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete praktische Umsetzungen.
Ein neues Projekt der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiver und aktiver Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie, die Röntgenrückstreuung und photoakustische Verfahren. Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum selektiven Laserschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen und zum Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung zum Einsatz gebracht. Für die zum Teil sehr großen Datenmengen werden Algorithmen für ein effizientes Preprocessing entwickelt und Merkmale der Messdaten in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert, welche mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik ermittelt werden. Die Ergebnisse der Einzelverfahren werden fusioniert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion bewirken.
Im Beitrag wird zunächst das Projekt als Ganzes vorgestellt und dann der Fokus auf die Thermografie mit Detektoren in verschiedenen Wellenlängenbereichen gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und experimentelle Ergebnisse im Vergleich zur optischen Tomografie und weiterer Verfahren präsentiert.
Das Prozessmonitoring stellt einen wichtigen Baustein für eine Qualitätssicherung additiv gefertigter Bauteile dar, insbesondere bei kleinen Losgrößen. Der Vortrag zeigt einen Überblick aktueller Entwicklungen der BAM im Bereich des Prozessmonitorings für das Laserstrahlschmelzen (laser powder bed fusion) metallischer Werkstoffe. Durch Vergleich mit der Referenzmethode Computertomografie wird am Beispiel der thermografischen Verfahren gezeigt, wie relevante Defekte in Bauteilen detektiert werden können und Einsatzpotenziale sowie Limitierungen aufgezeigt.
Rapid cooling rates and steep temperature gradients are characteristic of additively manufactured (AM) parts and important factors for residual stress formation which have implications on structural integrity. This study examined the influence of heat input on the distribution of residual stresses in two prisms produced by laser powder bed fusion (L-PBF) of austenitic stainless steel 316L.
The layers of the prisms were exposed using two distinct helix scanning strategies: one scanned from the centre to the perimeter and the other from the perimeter to the centre. Residual stresses were characterised at one plane perpendicular to the building direction at half of its build height using neutron diffraction. In addition, the defect distribution was analysed via micro X-ray computed tomography (µCT) in a twin specimen.
Both scanning strategies reveal residual stress distributions typical for AM: compressive stresses in the bulk and tensile stresses at the surface. However, temperature gradients and maximum stress levels differ due to the different heat input. Regarding the X-ray µCT results, they show an accumulation of defects at the corners where the laser direction turned through 90°.
The results demonstrate that neutron diffraction and X-ray µCT can be successfully used as non-destructive methods to analyse through-thickness residual stress and defect distribution in AM parts, and in the presented case, illustrate the influence of scanning strategies. This approach contributes to deeper assessment of structural integrity of AM materials and components.
Laser powder bed fusion (L-PBF) is one of the most promising additive manufacturing (AM) technologies for the production of complex metallic real part components. Due to the multitude of factors influencing process conditions and part quality and due to the layer-wise characteristic of the process, monitoring of process signatures seems to be mandatory in case of the production of safety critical components. Here, the iterative process nature enables unique access for in-situ monitoring during part manufacture. In this talk, the successful test of the synchronous use of a high-frequency infrared camera and a camera for long time exposure, working in the visible spectrum (VIS) and equipped with a near infrared filter (NIR), will be introduced as a machine manufacturer independent thermal detection monitoring set-up. Thereby, the synchronous use of an infrared camera and a VIS NIR camera combines the advantages of high framerate and high spatial resolution. The manufacture of a 316L stainless steel specimen, containing purposely seeded defects and volumes with forced changes of energy inputs, was monitored during the build. The measured thermal responses are analysed and compared with a defect mapping obtained by micro X-ray computed tomography (CT).
The first results regarding methods for data analysis, derived correlations between measured signals and detected defects as well as sources of possible data misinterpretation are presented in this talk.
Im Rahmen des Themenfeld Projektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die BAM gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren, darunter die Thermografie, zur Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung.
In diesem Beitrag werden SWIR-Thermografiemessungen während des Bauprozesses mittels Laser Pulver Auftragsschweißen (LPA) vorgestellt. Eine Herausforderung im Rahmen dieser Messungen liegt in der Positionierung der Kamera, welche entweder fixiert am Schweißarm, also mitbewegt, oder fixiert in der Baukammer, also stationär, erfolgen kann, wobei beide Varianten mit individuellen Vor- und Nachteilen verbunden sind. Eine stationäre Befestigung der Kamera ermöglicht zwar eine einfachere Zuordnung der Messdaten zu der jeweiligen Position im Bauteil, führt jedoch bei komplexeren Geometrien zwangsläufig zu Problemen durch Abschattungen und zu defokussierten Bereichen. Zur Auswertung von Thermogrammen, welche durch eine mit dem Schweißarm mitbewegte Kamera aufgenommen wurden, sind hingegen für jedes Bild akkurate Positionsdaten der Kamera nötig um die Messdaten einer Position im Bauteil zuzuordnen. Da die Positionsdaten des Schweißarmes im allgemeinen Fall durch die Anlagensoftware nicht zur Verfügung gestellt werden, muss diese Information durch zusätzliche Messungen aufgezeichnet werden. Hierzu verwenden wir einen an der Kamera befestigten Beschleunigungssensor. Dieser ermöglicht einen zeitlichen Abgleich mit dem vorprogrammierten Verfahrweg des Schweißarmes, welcher im Allgemeinen noch Unsicherheiten bezüglich genauer Geschwindigkeiten und Beschleunigungen offenlässt. Weiterhin untersuchen wir den Einfluss des empfindlichen Spektralbereiches der IR-Kamera durch den Vergleich von Messungen mit verschiedenen schmalbandigen Bandpassfiltern (25 nm FWHM) in einem Bereich von 1150 nm bis 1550 nm.
By allowing economic on demand manufacturing of highly customized and complex workpieces, metal based additive manufacturing (AM) has the prospect to revolutionize many industrial areas. Since AM is prone to the formation of defects during the building process, a fundamental requirement for AM to become applicable in most fields is the ability to guarantee the adherence to strict quality and safety standards. A possible solution for this problem lies in the deployment of various in-situ monitoring techniques. For most of these techniques, the application to AM is still very poorly understood. Therefore, the BAM in its mission to provide safety in technology has initiated the project “Process Monitoring of AM” (ProMoAM). In this project, a wide range of in-situ process monitoring techniques, including active and passive thermography, optical tomography, optical emission and absorption spectroscopy, eddy current testing, laminography, X-ray backscattering and photoacoustic methods, are applied to laser metal deposition (LMD), laser powder bed fusion and wire arc AM. Since it is still unclear which measured quantities are relevant for the detection of defects, these measurements are performed very thoroughly. In successive steps, the data acquired by all these methods is fused and compared to the results of reference methods such as computer tomography and ultrasonic immersion testing. The goal is to find reliable methods to detect the formation of defects during the building process. The detailed acquired data sets may also be used for comparison with simulations.
Here, we show first results of high speed (> 300 Hz) thermographic measurements of the LMD process in the SWIR range using 316L as building material. For these experiments, the camera was mounted fixed to the welding arm of the LMD machine to keep the molten pool in focus, regardless of the shape of the specimen. As the thermograms do not contain any information about the current spatial position during the building process, we use an acceleration sensor to track the movement and synchronize the measured data with the predefined welding path. This allows us to reconstruct the geometry of the workpieces and assign the thermographic data to spatial positions. Furthermore, we investigate the influence of the acquisition wavelength on the thermographic data by comparing measurements acquired with different narrow bandpass filters (50 nm FWHM) in a spectral range from 1150 nm to 1550 nm.
This research was funded by BAM within the Focus Area Materials.
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.
The project ProMoAM is presented. The goal of the project is to evaluate which NDT techniques or combination of techniques is suited for in-situ quality assurance in additive manufacturing of metals. To this end, also 3d-data fusion and visualization techniques are applied. Additional ex-situ NDT-techniques are used as references for defect detection and quantification. Feasability studies for NDT-techniques that are presently not applicable for in-situ use are performed as well.
The presentation gives a brief overview of the whole project and the different involved NDT-techniques.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.
Aktuell werden Prozessmonitoringsysteme in der additiven Fertigung (AM) zur Überwachung der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest im metallbasierten AM schon kommerziell angeboten. Weitere Verfahren aus den Bereichen der Optik, Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung werden in der Literatur als geeignet für die in-situ Anwendung bezeichnet, es finden sich aber nur wenige Berichte über konkrete Umsetzungen in die Praxis.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung hat ein neues Projekt gestartet, dessen Ziel die Entwicklung von Verfahren des Prozessmonitorings zur in-situ Bewertung der Qualität additiv gefertigter Bauteile in AM-Prozessen mit Laser- bzw. Lichtbogenquellen ist. Verschiedene Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung, wie Thermografie, optische Tomografie, optische Emissionsspektroskopie, Wirbelstromprüfung und Laminografie werden in verschiedenen AM-Prozessen zum Einsatz gebracht und die Ergebnisse fusioniert. Die evaluierten Ergebnisse werden mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Ziel ist eine deutliche Reduzierung aufwändiger und zeitintensiver, zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung von Ausschussproduktion.
Hier wird das Projekt als Ganzes vorgestellt und der Fokus auf verschiedene Methoden der Temperaturmessung mit Hilfe der Thermografie gelegt. Anforderungen an die Messtechnik für verschiedene AM-Systeme werden diskutiert und erste experimentelle Ergebnisse werden präsentiert.