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For the wide acceptance of the use of additive manufacturing (AM), it is required to provide reliable testing methods to ensure the safety of the additively manufactured parts. A possible solution could be the deployment of in-situ monitoring during the build process. However, for laser powder bed fusion using metal powders (PBF-LB/M ) only a few in-situ monitoring techniques are commercially available (optical tomography, melt pool monitoring) but not researched to an extent that allows to guarantee the adherence to strict quality and safety standards.
In this contribution, we present results of a study of PBF-LB/M printed parts made of the nickel-based superalloy Haynes 282. The formation of defects was provoked by local variations of the process parameters and monitored by thermography, optical tomography and melt pool monitoring. Afterwards, the defects were characterized by computed tomography (CT) to identify the detection limits of the used in-situ techniques.
For the wide acceptance of the use of additive manufacturing (AM), it is required to provide reliable testing methods to ensure the safety of the additively manufactured parts. A possible solution could be the deployment of in-situ monitoring during the build process. However, for laser powder bed fusion using metal powders (PBF-LB/M) only a few in-situ monitoring techniques are commercially available (optical tomography, melt pool monitoring), which have not been researched to an extent that allows to guarantee the adherence to strict quality and safety standards.
In this contribution, we present results of a study of PBF-LB/M printed parts made of the nickel-based superalloy Haynes 282. The formation of defects was provoked by local variations of the process parameters and monitored by thermography, optical tomography and melt pool monitoring. Afterwards, the defects were characterized by computed tomography (CT) to identify the detection limits of the used in-situ techniques.
Defects are still common in metal components built with Additive Manufacturing (AM). Process monitoring methods for laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are used in industry, but relationships between monitoring data and defect formation are not fully understood yet. Additionally, defects and deformations may develop with a time delay to the laser energy input. Thus, currently, the component quality is only determinable after the finished process.
Here, active laser thermography, a non-destructive testing method, is adapted to PBF-LB/M, using the defocused process laser as heat source. The testing can be performed layer by layer throughout the manufacturing process. The results of the defect detection using infrared cameras are presented for a custom research PBF-LB/M machine. Our work enables a shift from post-process testing of components towards in-situ testing during the AM process. The actual component quality is evaluated in the process chamber and defects can be detected between layers.
Great complexity characterizes Additive Manufacturing (AM) of metallic components via laser powder bed fusion (PBF-LB/M). Due to this, defects in the printed components (like cracks and pores) are still common. Monitoring methods are commercially used, but the relationship between process data and defect formation is not well understood yet. Furthermore, defects and deformations might develop with a temporal delay to the laser energy input. The component’s actual quality is consequently only determinable after the finished process.
To overcome this drawback, thermographic in-situ testing is introduced. The defocused process laser is utilized for nondestructive testing performed layer by layer throughout the build process. The results of the defect detection via infrared cameras are shown for a research PBF-LB/M machine.
This creates the basis for a shift from in-situ monitoring towards in-situ testing during the AM process. Defects are detected immediately inside the process chamber, and the actual component quality is determined.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen (PBF-LB /M) mittels TT und ET
(2022)
Durch die additive Fertigung ergeben sich durch die nun mögliche wirtschaftliche Fertigung hochgradig individueller und komplexer metallischer Bauteile in kleinen Stückzahlen bis hinunter zum Einzelstück für viele Industriebereiche ganz neue Möglichkeiten.
Gleichzeitig entstehen jedoch neue Herausforderungen im Bereich der Qualitätssicherung, da sich auf statistischen Methoden beruhende Ansätze nicht anwenden lassen, ohne wiederum die Vorteile der Fertigung massiv einzuschränken.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Anwendung verschiedener In-situ-Überwachungstechniken während des Bauprozesses. Jedoch sind nur wenige dieser Techniken kommerziell verfügbar und noch nicht so weit erforscht, dass die Einhaltung strenger Qualitäts- und Sicherheitsstandards gewährleistet werden kann. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Studie über mittels L-PBF gefertigte Probekörper aus der Nickelbasis-Superlegierung Haynes 282 vor, bei denen die Bildung von Defekten durch lokale Variationen der Prozessparameter wie der Laserleistung provoziert wurde. Die Proben wurden in-situ mittels Thermographie, optischer Tomographie, Schmelzbadüberwachung und Wirbelstromprüfung sowie ex-situ mittels Computertomographie (CT) überwacht, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Aussichten der einzelnen Methoden für die zuverlässige Erkennung der Bildung relevanter Defekte zu bewerten.
The formation of defects such as keyhole pores is a major challenge for the production of metal parts by Laser Powder Bed Fusion (LPBF). The LPBF process is characterized by a large number of influencing factors which can be hard to quantify. Machine Learning (ML) is a prominent tool to predict the outcome of complex processes on the basis of different sensor data. In this study, a ML model for defect prediction is created using thermographic image features as input data. As a reference, the porosity information calculated from an x-ray Micro Computed Tomography (µCT) scan of the produced specimen is used. Physical knowledge about the keyhole pore formation is incorporated into the model to increase the prediction accuracy. From the prediction result, the quality of the input data is evaluated and future demands on in-situ monitoring of LPBF processes are formulated.
X-Ray computed tomography (XCT) scan of 11 individual metallic powder particles, made of (Mn,Fe)2(P,Si) alloy. The data set consists of 4 single XCT scans which have been stitched together [3] after reconstruction. The powder material is an (Mn,Fe)2(P,Si) alloy with an average density of 6.4 g/cm³. The particle size range is about 100 - 150 µm with equivalent pore diameters up to 75 µm. The powder and the metallic alloy are described in detail in [1, 2].
In-situ monitoring of the Laser Powder Bed Fusion build process via bi- chromatic optical tomography
(2022)
As metal additive manufacturing (AM) is entering industrial serial production of safety relevant components, the need for reliable process qualification is growing continuously. Especially in strictly regulated industries, such as aviation, the use of AM is strongly dependent on ensuring consistent quality of components. Because of its numerous influencing factors, up to now, the metal AM process is not fully controllable. Today, expensive part qualification processes for each single component are common in industry.
This contribution focusses on bi-chromatic optical tomography as a new approach for AM in-situ quality control. In contrast to classical optical tomography, the emitted process radiation is monitored simultaneously with two temperature calibrated cameras at two separate wavelength bands. This approach allows one to estimate the local maximum temperatures during the manufacturing process, thus increases the comparability of monitoring data of different processes. A new process information level at low investment cost is reachable, compared to, e.g., infrared thermography.
Since metal additive manufacturing (AM) becomes more and more established in industry, also the cost pressure for AM components increases. One big cost factor is the quality control of the manufactured components. Reliable in-process monitoring systems are a promising route to lower scrap rates and enhance trust in the component and process quality.
The focus of this contribution is the presentation and comparison of two optical tomography based multi measurand in-situ monitoring approaches for the L-PBF process: the bicolor- and the RGB-optical tomography. The classical optical tomography (OT) is one of the most common commercial in-situ monitoring techniques in industrial L-PBF machines. In the OT spatial resolved layer-images of the L-PBF process are taken from an off-axis position in one near infrared wavelength window. In addition to the explanatory powers classical OT, both here presented approaches enable the determination of the maximum surface temperature. In contrast to thermography that may also yield maximum temperature information, the needed equipment is significantly cheaper and offers a higher spatial resolution. Both approaches are implemented at a new in-house developed L-PBF system (Sensor-based additive manufacturing machine - SAMMIE). SAMMIE is specifically designed for the development and characterization of in-situ monitoring systems and is introduced as well.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Results of the project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) presented. Results from in-situ eddy current testing, optical emission spectroscopy, thermography, optical tomography as well as particle and gas emission spectroscopy are summarized and correlated to results from computed tomography for future in-situ defect detection.
Design of freedom, performance improvement, cost reduction and lead time reduction are key targets when manufacturing parts in a layer-by-layer fashion using the laser powder bed fusion process (LPBF). Many research groups are focussed on improving the LPBF process to achieve the manufacturing of sound parts from a structural integrity perspective. In particular, the formation and distribution of residual stress (RS) remains a critical aspect of LPBF. The determination of the RS in LPBF benefits from the use of neutron diffraction (ND), as it allows the non-destructive mapping of the triaxial RS with a good spatial resolution. Two case studies are presented based on experiments carried out on the angular-dispersive neutron diffractometers Strain Analyser for Large Scale Engineering Applications (SALSA) (Institut Laue Langevin, Grenoble) and STRESS-Spec (FRM II, Garching). The RS in LPBF parts having a rectangular and more complex geometry (lattice structure) is analysed. The former example discusses the mapping of the RS in a rectangular body manufactured from stainless steel 316L. The manufacturing of these parts was monitored using an in-situ thermography set-up to link the RS to the thermal history. The latter discusses the RS in a lattice structure manufactured from the nickel base superalloy IN625. This geometry is challenging to characterise, and the use of a X-ray computed tomography twin is presented as tool to support the alignment of the ND experiment. The results from these case studies show a clear link between the thermal history and the RS magnitudes, as well as giving insights on the RS formation.
The influence of the inter-layer-time and the scanning velocity on the surface and bulk residual stress in laser powder bed fused 316L specimens was investigated. This study combines X-ray and neutron diffraction results with the thermal history of the specimens acquired through in-situ process monitoring. The process parameter variations were observed to directly influence the thermal history, which gave new insights in the assessment of the residual stress results.
Die zerstörungsfreie Prüfung von metallischen Bauteilen hergestellt mit additiver Fertigung (Additive Manufacturing - AM) gewinnt zunehmend an industrieller Bedeutung. Grund dafür ist die Feststellung von Qualität, Reproduzierbarkeit und damit auch Sicherheit für Bauteile, die mittels AM gefertigt wurden. Jedoch wird noch immer ex-situ geprüft, wobei Defekte (z.B. Poren, Risse etc.) erst nach Prozessabschluss entdeckt werden. Übersteigen Anzahl und/oder Abmessung die vorgegebenen Grenzwerte für diese Defekte, so kommt es zu Ausschuss, was angesichts sehr langer Bauprozessdauern äußerst unrentabel ist. Eine Schwierigkeit ist dabei, dass manche Defekte sich erst zeitverzögert zum eigentlichen Materialauftrag bilden, z.B. durch thermische Spannungen oder Schmelzbadaktivitäten. Dementsprechend sind reine Monitoringansätze zur Detektion ggf. nicht ausreichend.
Daher wird in dieser Arbeit ein Verfahren zur aktiven Thermografie an dem AM-Prozess Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) untersucht. Das Bauteil wird mit Hilfe des defokussierten Prozesslasers bei geringer Laserleistung zwischen den einzelnen gefertigten Lagen unabhängig vom eigentlichen Bauprozess erwärmt. Die entstehende Wärmesignatur wird ort- und zeitaufgelöst durch eine Infrarotkamera erfasst. Durch diese der Lagenfertigung nachgelagerte Prüfung werden auch zum Bauprozess zeitversetzte Defektbildungen nachweisbar.
In dieser Arbeit finden die Untersuchungen als Proof-of-Concept, losgelöst vom AM-Prozess, an einem typischen metallischen Testkörper statt. Dieser besitzt eine Nut als oberflächlichen Defekt. Die durchgeführten Messungen finden an einer eigens entwickelten L-PBF-Forschungsanlage innerhalb der Prozesskammer statt. Damit wird ein neuartiger Ansatz zur aktiven Thermografie für L-PBF erforscht, der eine größere Bandbreite an Defektarten auffindbar macht. Der Ansatz wird validiert und Genauigkeit sowie Auflösungsvermögen geprüft. Eine Anwendung am AM-Prozess wird damit direkt forciert und die dafür benötigten Zusammenhänge werden präsentiert.
Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch.
Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird.
Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen.
Due to the rapid thermal cycles involved in additive manufacturing of metals, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine their formation, in-process measurements of the temperature are needed. Since the part emissivity is strongly inhomogeneous and rapidly changing in the process, the applicability of thermography for the determination of thermodynamic temperatures is limited. Measuring the thermal radiation in different wavelengths simultaneously, temperature and emissivity can be separated. Here, we present results of a preliminary study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in directed energy deposition (DED) processes.
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.
Infrared thermography is a technique that allows to measure the temperatures of objects by analyzing the intensity of the thermal emission without the need of direct contact with very high spatial and temporal resolution. As the temperature is a fundamental factor for the additive manufacturing processes of metals, infrared thermography can provide experimental data that can be used for the validation of simulations and improving the understanding of the processes as well as for in-situ process monitoring for nondestructive evaluation (NDE) for quality control.
In this talk we will provide an overview over the possibilities of state of the art thermographic in-situ monitoring systems for the DED-LB/M and PBF-LB/M processes and the challenges such as phase transitions and unknown emissivity values in respect to the determination of real temperatures. We define the requirements for different camera systems in various configurations and give examples on the selection of appropriate measurement parameters and data acquisition techniques as well as on techniques for data analysis and interpretation. Finally, we compare in-situ monitoring methods against post NDE methods by analyzing the advantages and disadvantages of both.
This research was funded by BAM within the Focus Area Materials.
Introduction to ProMoAM
(2021)
Additive manufacturing of metals offers the opportunity to build parts with a high degree of complexity without additional costs, opening a new space for design optimization. However, the processes are highly complex and due to the rapid thermal cycles involved, high internal stresses and peculiar microstructures occur, which influence the parts mechanical properties. To systematically examine the formation of internal stresses and the microstructure, in-process spatially resolved measurements of the part temperature are needed. If the emissivity of the inspected part is known, its thermodynamic temperature can be reconstructed by a suited radiometric model. However, in additive manufacturing of metals, the emissivity of the part surface is strongly inhomogeneous and rapidly changing due to variations of, e.g., the degree of oxidation, the material state and temperature. Thus, here, the applicability of thermography in the determination of thermodynamic temperatures is limited. However, measuring the process thermal radiation at different wavelengths simultaneously enables one to separate temperature and emissivity spatially resolved to obtain further insight into the process. Here, we present results of an initial study using multispectral thermography to obtain real temperatures and emissivities in the powderfree LMD process.