Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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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.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
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.
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.
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.
Laser powder bed fusion is used to create near net shape metal parts with a high degree of freedom in geometry design. When it comes to the production of safety critical components, a strict quality assurance is mandatory. An alternative to cost-intensive non-destructive testing of the produced parts is the utilization of in-situ process monitoring techniques. The formation of defects is linked to deviations of the local thermal history of the part from standard conditions. Therefore, one of the most promising monitoring techniques in additive manufacturing is thermography. In this study, features extracted from thermographic data are utilized to investigate the thermal history of cylindrical metal parts. The influence of process parameters, part geometry and scan strategy on the local heat distribution and on the resulting part porosity are presented. The suitability of the extracted features for in-situ process monitoring is discussed.
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.