Additive Fertigung
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Additive manufacturing of metals gains increasing relevance in the industrial field for part production. However, especially for safety relevant applications, a suitable quality assurance is needed. A time and cost efficient route to achieve this goal is in-situ monitoring of the build process. Here, the BAM project ProMoAM (Process monitoring in additive manufacturing) is briefly introduced and recent advances of BAM in the field of in-situ monitoring of the L-PBF and the LMD process using thermography are presented.
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.
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. Auf diese Weise konnten intrinsische Vorerwärmungstemperaturen während der Bauteilfertigung lagenweise extrahiert werden. 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.
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.
In this chapter, the current state-of-the-art of in situ monitoring and in situ NDE methods in additive manufacturing is summarized. The focus is set on methods, which are suitable for making statements about the quality and usability of a component currently being manufactured. This includes methods which can be used to determine state properties like temperature or density, other physical properties like electrical or thermal conductivity, the microstructure, the chemical composition, the actual geometry, or which enable the direct detection of defects like cracks, voids, delaminations, or inclusions. Thus, optical, thermographic, acoustic, and electromagnetic methods, as well as methods being suitable for investigating particle and fume emission are presented. The requirements of in situ monitoring methods with a focus on thermographic methods are discussed by considering different additive manufacturing processes like laser powder bed fusion (PBF-LB/M) and direct energy deposition (DED-LB/M). Examples of the successful implementation and applications of such monitoring methods at BAM are given. The in situ monitoring and NDE methods are compared against post-process NDE methods. The advantages and challenges of in situ methods concerning real-time data analysis and the application of AI algorithms are addressed and discussed.
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.
The quality of additively manufactured components is significantly influenced by the process parameters used during production. Thus, sensors and measuring systems are already commercially available for process monitoring, at least in metal-based additive manufacturing. However, it is not yet possible to detect defects and inhomogeneities directly or indirectly during the building process. The aim of the project ProMoAM is to develop spectroscopic and non-destructive testing methods for the in-situ evaluation of the quality of additively manufactured metal components in laser- or arc-based AM processes. In addition to passive and active methods of thermography, this includes optical tomography, optical emission spectroscopy, eddy current testing, laminography (radiography), X-ray backscattering, particle emission spectroscopy and photoacoustic methods.
Thermography is one on the most promising techniques for in-situ monitoring of metal additive manufacturing processes. Especially in laser powder bed fusion 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 an almost defect free cuboid specimen.
A powerful tool to understand, demonstrate and explain the limits of the pulsed technique in terms of detectability and localizability of AM keyhole pores has been assessed by comparing the active thermographic approach (both experimental and FEM simulations) to Computed Tomography results;
✓ µCT results demonstrate that the intended defect geometry is not achieved; indeed a network of voids (microdefects consisting of small sharp-edged hollows with a complicated, almost fractal, inner surface) was found;
✓ both Exp-PT and FEM results explains clearly why no indication of defect related to the thermal contrasts could be found during the investigation of an uncoated surface. However, the application of further data evaluations focusing on the thermal behavior and emissivity evaluation (PPT post data processing) enable the detection of some defects;
✓ coating facilitates a closer inspection of inner defects, but inhomogeneities of the coating could impair the spatial resolution and lead to the emergence of hotspots (the FEM simulation reached its limit with this extreme geometry where a 25 µm thin disc is considered at a 1 cm thick specimen in millisecond time resolution);
✓ both Exp-PT and FEM results allow the conclusion that very short pulses of 200 ms or shorter should be sufficient to detect these defects below, but near the surface; besides a short duration of the thermal phenomenon it should be emphasized, about 0.04 s (high frame rate camera);
Active thermography is a fast, contactless and non-destructive technique that can be used to detect internal defects in different types of material. Volumetric irregularities such as the presence of pores in materials produced by the Additive Manufacturing processes can strongly affect the thermophysical and the mechanical properties of the final component.
In this work, an experimental investigation aimed at detecting different pores in a sample made of stainless AISI 316L produced by Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) was carried out using pulsed thermography in reflection mode. The capability of the technique and the adopted setups in terms of geometrical and thermal resolution, acquisition frequency and energy Density of the heating source were assessed to discern two contiguous pores as well as to detect a single pore. Moreover, a quantitative indication about the minimum resolvable pore size among the available and analysed defects was provided. A powerful tool to assess the Limits and the opportunities of the pulsed technique in terms of detectability and localizability was provided by comparing active thermography results to Computed Tomography as well as a related Finite Element Analysis (FEA) to simulate the pulsed heating transfer with Comsol.