Analytische Chemie
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The formation of irregularities such as keyhole porosity pose a major challenge to the manufacturing of metal parts by laser powder bed fusion (PBF-LB/M). In-situ thermography as a process monitoring technique shows promising potential in this manner since it is able to extract the thermal history of the part which is closely related to the formation of irregularities. In this study, we investigate the utilization of machine learning algorithms to detect keyhole porosity on the base of thermographic features. Here, as a referential technique, x-ray micro computed tomography is utilized to determine the part's porosity. An enhanced preprocessing workflow inspired by the physics of the keyhole irregularity formation is presented in combination with a customized model architecture. Furthermore, experiments were performed to clarify the role of important parameters of the preprocessing workflow for the task of defect detection . Based on the results, future demands on irregularity prediction in PBF-LB/M are derived.
Quality assessment of components produced by metal based additive manufacturing (AM) technologies such as laser powder bed fusion is rising in importance due to the increased use of AM in industrial production. Here, the presence of internal porosity was identified as a limiting factor for the final component quality. The utilization of thermography as an in-situ monitoring technique allows the determination of the part’s thermal history which was found to be connected to the porosity formation [1]. Combining the local thermal information derived from thermography with the porosity information obtained by x-ray micro computed tomography, machine learning algorithms can be utilized to predict the porosity distribution in the part. In this study, a first approach for the prediction of keyhole porosity in a cylindric specimen from AISI 316L stainless steel is presented. It is based on data augmentation using the “SmoteR” algorithm [2] to cure the dataset imbalance and a 1-dimensional convolutional neural network.
[1] C.S. Lough et al., Local prediction of Laser Powder Bed Fusion porosity by short-wave infrared thermal feature porosity probability maps. Journal of Materials Processing Technology, 302, p. 117473 (2022)
https://dx.doi.org/10.1016/j.imatprotec.2021.117473
[2] L. Torgo et al., SMOTE for Regression. Progress in Artificial Intelligence, Chapter 33, p. 378-289 (2013)
https://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-40669-0_33
Avoiding 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 use of in-situ monitoring by thermographic cameras is a promising approach to detect defects, however the data is hard to analyze by conventional algorithms. Therefore, we investigate the use of Machine Learning (ML) in this study, as it is a suitable tool to model complex processes with many influencing factors. A ML model for defect prediction is created based on features extracted from process thermograms. The porosity information calculated from an x-ray Micro Computed Tomography (µCT) scan is used as reference. Physical characteristics of the keyhole pore formation are incorporated into the model to increase the prediction accuracy. Based on the prediction result, the quality of the input data is inferred and future demands on in-situ monitoring of LPBF processes are derived.
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.
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.