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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.
Die Schicht-für-Schicht additive Fertigung (AM) in Form des selektiven Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzens (SLM und EBM) bietet einerseits Vorteile bezüglich des Probendesigns, andererseits sind strukturelle Abweichungen von der nominellen Morphologie unvermeidbar. Beispielsweise führt das Abkühlen des fertigen Bauteils zu verringerten Abmessungen und angeschmolzene Pulverpartikel sorgen für unregelmäßige Oberflächen mit nicht vernachlässigbaren Rauigkeiten.
Im Fokus dieser Arbeit steht die computertomographische (CT) Untersuchung von IN625 Pulver und den daraus SLM-gefertigten Streben, Einheitszellen und Gitterstrukturen.
Mit Hilfe von Synchrotron – CT konnte das IN625 Pulver mit einer Voxelgröße von 0,5µm untersucht werden. Für die Untersuchung der daraus gefertigten verschiedenen Probengemetrien wurde Labor CT genutzt.
6 mm lange Streben variierten im Aufbauwinkel von 40° bis 90°. Der Unterschied zwischen Unter- und Oberseite während der Fertigung wird sowohl bei Porenverteilung als auch bei der Oberflächenrauigkeit deutlich. Ein Vergleich der Strebenabmessungen für die nominalen Durchmesser von 0,5 mm bis 3 mm zwischen CT and GOM zeigte keine signifikanten Differenzen.
Vier dieser Streben wurden zu einer bbc Einheitszelle zusammengefügt, welche sich wiederum zu den Gitterstrukturen ergänzen.
An einem Gitterwürfel (3x3x3 Einheitszellen) wurden In-Situ (Druck) CT bis 5kN durchgeführt. Mit einer Kraft von etwa 3kN erreichen wir den plastischen Bereich und beobachten zudem Strebenverzug.
Außerdem wurde ein Vergleich zu den CAD-Files wurde genutzt um einen möglichen Verzug während der Fertigung beurteilen zu können. Dafür wurden 4x4x4 cm³ Gitterstrukturen gebaut und evaluiert.
Mit diesen CT Messungen bestätigen wir eine signifikante Schrumpfung, die Bereits während der Fertigung berücksichtigt werden muss.