Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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The prediction of porosity is a crucial task for metal based additive manufacturing techniques such as laser powder bed fusion. Short wave infrared thermography as an in-situ monitoring tool enables the measurement of the surface radiosity during the laser exposure. Based on the thermogram data, the thermal history of the component can be reconstructed which is closely related to the resulting mechanical properties and to the formation of porosity in the part. In this study, we present a novel framework for the local prediction of porosity based on extracted features from thermogram data. The framework consists of a data pre-processing workflow and a supervised deep learning classifier architecture. The data pre-processing
workflow generates samples from thermogram feature data by including feature information from multiple subsequent layers.
Thereby, the prediction of the occurrence of complex process phenomena such as keyhole pores is enabled. A custom convolutional neural network model is used for classification. Themodel is trained and tested on a dataset from thermographic in-situ monitoring of the manufacturing of an AISI 316L stainless steel test component. The impact of the pre-processing parameters and the local void distribution on the classification performance is studied in detail. The presented model achieves an accuracy of 0.96 and an f1-Score of 0.86 for predicting keyhole porosity in small sub-volumes with a dimension of (700 × 700 × 50) μm3. Furthermore, we show that pre-processing parameters such as the porosity threshold for sample
labeling and the number of included subsequent layers are influential for the model performance. Moreover, the model prediction is shown to be sensitive to local porosity changes although it is trained on binary labeled data that disregards the actual sample porosity.
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.
Additive manufacturing (AM) of metals and in particular laser powder bed fusion (LPBF) enables a degree of freedom in design unparalleled by conventional subtractive methods. To ensure that the designed precision is matched by the produced LPBF parts, a full understanding of the interaction between the laser and the feedstock powder is needed. It has been shown that the laser also melts subjacent layers of material underneath. This effect plays a key role when designing small cavities or overhanging structures, because, in these cases, the material underneath is feed-stock powder. In this study, we quantify the extension of the melt pool during laser illumination of powder layers and the defect spatial distribution in a cylindrical specimen. During the LPBF process, several layers were intentionally not exposed to the laser beam at various locations, while the build process was monitored by thermography and optical tomography. The cylinder was finally scanned by X-ray computed tomography (XCT). To correlate the positions of the unmolten layers in the part, a staircase was manufactured around the cylinder for easier registration. The results show that healing among layers occurs if a scan strategy is applied, where the orientation of the hatches is changed for each subsequent layer. They also show that small pores and surface roughness of solidified material below a thick layer of unmolten material (>200 µm) serve as seeding points for larger voids. The orientation of the first two layers fully exposed after a thick layer of unmolten powder shapes the orientation of these voids, created by a lack of fusion.
The appearance of irregularities such as keyhole porosity is a major challenge for the production of metal parts by laser powder bed fusion (PBF-LB/M). The utilization of thermographic in-situ monitoring is a promising approach to extract the thermal history which is closely related to the formation of irregularities. In this study, we investigate the utilization of convolutional neural networks to predict keyhole porosity based on thermographic features. Here, the porosity information calculated from an x-ray micro computed tomography scan is used as reference. Feature engineering is performed to enable the model to learn the complex physical characteristics of the porosity formation. The model is examined with regard to the choice of hyperparameters, the significance of thermal features and characteristics of the data acquisition. Based on the results, future demands on irregularity prediction in PBF-LB/M are derived.
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.
In this study, we present an enhanced deep learning framework for the prediction of porosity based on thermographic in-situ monitoring data of laser powder bed fusion processes. The manufacturing of two cuboid specimens from Haynes 282 (Ni-based alloy) powder was monitored by a short-wave infrared camera. We use thermogram feature data and x-ray computed tomography data to train a convolutional neural network classifier. The classifier is used to perform a multi-class prediction of the spatially resolved porosity level in small sub-volumes of the specimen bulk.
In this study, we present an enhanced deep learning framework for the prediction of porosity based on thermographic in-situ monitoring data of laser powder bed fusion processes. The manufacturing of two cuboid specimens from Haynes 282 (Ni-based alloy) powder was monitored by a short-wave infrared camera. We use thermogram feature data and x-ray computed tomography data to train a convolutional neural network classifier. The classifier is used to perform a multi-class prediction of the spatially resolved porosity level in small sub-volumes of the specimen bulk.
Lichtbogenbasierte Schweißverfahren wie das Metallschutzgasschweißen (MSG) zählen zu den Standardverfahren der Fügetechnik und werden in vielen Industriebereichen automatisiert unter Verwendung von Industrierobotern eingesetzt. Dabei können Schweißnahtabweichungen auftreten, die aus Änderungen der Prozessrandbedingungen und der hohen Prozessdynamik resultieren. Hier ist die Kontrolle von Schmelzbad- und Schweißnahtgeometrie für die Sicherung der Nahtqualität bedeutsam. Durch den Einsatz optischer Sensorsysteme können mit hoher zeitlicher Auflösung in-situ Informationen des Prozesszustands ermittelt werden. Dabei stellen die rauen Prozessbedingungen und die hohe Strahlungsintensität des Lichtbogens eine Herausforderung für die optischen Komponenten dar. Forschungsarbeiten am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer HDR-Kamera in Kombination mit einer strukturierten Laserbelichtung gezielt geometrische Informationen des Lichtbogens und des Schmelzbads aus den Prozessaufnahmen gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird eine parallele Schweißnaht- und Schmelzbadbeobachtung durchgeführt, wobei geometrische Informationen durch die Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen extrahiert werden. Dabei wird ein nachlaufendes Sensorsystem eingesetzt, welches aus einer HDR-Kamera und einer Laserbeleuchtung besteht. Es werden diffraktive optische Elemente (DOE) zur Erzeugung von verschiedenen Laserprojektionsmustern verwendet, um sowohl eine unidirektionale als auch eine multidirektionale Prozessbeobachtung durchführen zu können. Aus den geometrischen Informationen werden Kenngrößen berechnet, anhand derer der Prozesszustand beurteilt werden kann. Es zeigt sich, dass anhand der Kenngrößenverläufe Abweichungen in der Schweiß- und Schmelzbadgeometrie und Positionierungsfehler des Roboters identifiziert werden können.
Lichtbogenbasierte Schweißverfahren wie das Metallschutzgasschweißen (MSG) zählen zu den Standardverfahren der Fügetechnik und werden in vielen Industriebereichen automatisiert unter Verwendung von Industrierobotern eingesetzt. Dabei können Schweißnahtabweichungen auftreten, die aus Änderungen der Prozessrandbedingungen und der hohen Prozessdynamik resultieren. Hier ist die Kontrolle von Schmelzbad- und Schweißnahtgeometrie für die Sicherung der Nahtqualität bedeutsam. Durch den Einsatz optischer Sensorsysteme können mit hoher zeitlicher Auflösung in-situ Informationen des Prozesszustands ermittelt werden. Dabei stellen die rauen Prozessbedingungen und die hohe Strahlungsintensität des Lichtbogens eine Herausforderung für die optischen Komponenten dar. Forschungsarbeiten am Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik der RWTH Aachen haben gezeigt, dass durch den Einsatz einer HDR-Kamera in Kombination mit einer strukturierten Laserbelichtung gezielt geometrische Informationen des Lichtbogens und des Schmelzbads aus den Prozessaufnahmen gewonnen werden können. In dieser Arbeit wird eine parallele Schweißnaht- und Schmelzbadbeobachtung durchgeführt, wobei geometrische Informationen durch die Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen extrahiert werden. Dabei wird ein nachlaufendes Sensorsystem eingesetzt, welches aus einer HDR-Kamera und einer Laserbeleuchtung besteht. Es werden diffraktive optische Elemente (DOE) zur Erzeugung von verschiedenen Laserprojektionsmustern verwendet, um sowohl eine unidirektionale als auch eine multidirektionale Prozessbeobachtung durchführen zu können. Aus den geometrischen Informationen werden Kenngrößen berechnet, anhand derer der Prozesszustand beurteilt werden kann. Es zeigt sich, dass anhand der Kenngrößenverläufe Abweichungen in der Schweiß- und Schmelzbadgeometrie und Positionierungsfehler des Roboters identifiziert werden können.
Online quality control of security relevant parts manufactured by Laser Powder Bed Fusion (LPBF) remains to be a challenge due to the highly complex process conditions. Furthermore, the influence of characteristic scan strategy parameters is not sufficiently clarified yet due to the commonly used method of single-track investigations. In this contribution, this topic is addressed by observing large 316L volume sections using in-situ melt pool monitoring by thermography in high temporal and spatial resolution. In detail, the influence of the scan angle on the melt pool geometry is investigated on. Characteristic melt pool features are extracted from the image data and analyzed using statistical methods data for altering scan angles. The results show significant changes in the melt pool dimensions and temperature distribution over the scan angle rotation. A first explanation approach is presented that connects the observed changes to phenomena of beam attenuation by metal vapor plume.