Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
For a deep process understanding of the laser powder bed fusion process (PBF-LB/M), recording of the occurring surface temperatures is of utmost interest and would help to pave the way for reliable process monitoring and quality assurance. A notable number of approaches for in-process monitoring of the PBF-LB/M process focus on the monitoring of thermal process signatures. However, due to the elaborate calibration effort and the lack of knowledge about the occurring spectral directional emissivity, only a few approaches attempt to measure real temperatures. In this study, to gain initial insights into occurring in the PBF-LB/M process, measurements on PBF-LB/M specimens and metal powder specimens were performed for higher temperatures up to T = 1290 °C by means of the emissivity measurement apparatus (EMMA) of the Center for Applied Energy Research (CAE, Wuerzburg, Germany). Also, measurements at ambient temperatures were performed with a suitable measurement setup. Two different materials—stainless steel 316L and aluminum AlSi10Mg—were examined. The investigated wavelength λ ranges from the visible range (λ-VIS= 0.40–0.75 µm) up to the infrared, λ = 20 µm. The influence of the following factors were investigated: azimuth angle φ, specimen temperature TS, surface texture as for PBF-LB/M surfaces with different scan angles α, and powder surfaces with different layer thicknesses t.
Laser powder bed fusion of metallic components (PBF-LB/M) is gaining acceptance in industry. However, the high costs and lengthy qualification processes required for printed components create the need for more effective in-situ monitoring and testing methods. This article proposes multispectral Optical Tomography (OT) as a new approach for monitoring the PBF-LB/M process. Compared to other methods, OT is a low-cost process monitoring method that uses long-time exposure imaging to observe the build process. However, it lacks time resolution compared to expensive thermographic sensor systems. Monochromatic OT (1C-OT) is already commercially available and observes the building process layer-wise using a single wavelength window in the NIR range. Multispectral OT (nC-OT) utilizes a similar setup but can measure multiple wavelength ranges per location simultaneously. By comparing the classical 1C-OT and nC-OT approaches, this article examines the advantages of nC-OT (two channel OT and RGB-OT) in reducing the false positive rate for process deviations and approximating maximum temperatures for a better comparison between different build processes and materials. This could ultimately reduce costs and time for part qualification. The main goal of this contribution is to assess the advantages of nC-OT compared to 1C-OT for in-situ process monitoring of PBF-LB/M.
Safety-critical applications of products manufactured by laser powder bed fusion (PBF-LB/M) are still limited to date. This is mainly due to a lack of knowledge regarding the complex relationship between process, structure, and resulting properties. The assurance of homogeneity of the microstructure and homogeneity of the occurrence and distribution of defects within complexly shaped geometries is still challenging. Unexpected and unpredicted local inhomogeneities may cause catastrophic failures. The identification of material specific and machine specific process parameter windows for production of fully dense simple laboratory specimens is state of the art. However, the incorporation of changing thermal conditions that a complexly shaped component can be faced with during the manufacturing process is often neglected at the stage of a process window determination. This study demonstrates the tremendous effect of changing part temperatures on the defect occurrence for the broadly used stainless steel alloy AISI 316L. Process intrinsic variations of the surface temperature are caused by heat accumulation which was measured by use of a temperature adjusted mid-wavelength infrared (MWIR) camera. Heat accumulation was triggered by simple yet effective temporal and geometrical restrictions of heat dissipation. This was realized by a variation of inter layer times and reduced cross section areas of the specimens. Differences in surface temperature of up to 800 K were measured. A severe development of keyhole porosity resulted from these distinct intrinsic preheating temperatures, revealing a shift of the process window towards unstable melting conditions. The presented results may serve as a warning to not solely rely on process parameter optimization without considering the actual process conditions a real component is faced with during the manufacturing process. Additionally, it motivates the development of representative test specimens.
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.
The industrial use of additive manufacturing for the production of metallic parts with high geometrical complexity and lot sizes close to one is rapidly increasing as a result of mass individualisation and applied safety relevant constructions. However, due to the high complexity of the production process, it is not yet fully understood and controlled, especially for changing (lot size one) part geometries.
Due to the thermal nature of the Laser-powder bed fusion (L-PBF) process – where parts are built up layer-wise by melting metal powder via laser - the properties of the produced part are strongly governed by its thermal history. Thus, a promising route for process monitoring is the use of thermography. However, the reconstruction of temperature information from thermographic data relies on the knowledge of the surface emissivity at each position on the part. Since the emissivity is strongly changing during the process due to phase changes, great temperature gradients, possible oxidation, and other potential influencing factors, the extraction of real temperature data from thermographic images is challenging. While the temperature development in and around the melt pool, where melting and solidification occur is most important for the development of the part properties. Also, the emissivity changes are most severe in this area, rendering the temperature deduction most challenging.
A possible route to overcome the entanglement of temperature and emissivity in the thermal radiation is the use of hyperspectral imaging in combination with temperature emissivity separation (TES) algorithms. As a first step towards the combined temperature and emissivity determination in the L-PBF process, here, we use a hyperspectral line camera system operating in the short-wave infrared region (0.9 µm to 1.7 µm) to measure the spectral radiance emitted. In this setup, the melt pool of the L-PBF process migrates through the camera’s 1D field of view, so that the radiation intensities are recorded simultaneously for multiple different wavelength ranges in a spatially resolved manner. At sufficiently high acquisition frame rate, an effective melt pool image can be reconstructed. Using the grey body approximation (emissivity is independent of the wavelength), a first, simple TES is performed, and the resulting emissivity and temperature values are compared to literature values. Subsequent work will include reference measurements of the spectral emissivity in different states allowing its analytical parametrisation as well as the adaption and optimisation of the TES algorithms. An illustration of the proposed method is shown in Fig.1.
The investigated method will allow to gain a deeper understanding of the L-PBF process, e.g., by quantitative validation of simulation results. Additionally, the results will provide a data basis for the development of less complex and cheaper sensor technologies for L-PBF in-process monitoring (or for related process), e.g., by using machine learning.
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.
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.
Vor allem in den letzten Jahren ist das Interesse der Industrie an der additiven Fertigung deutlich gestiegen. Die Vorteile dieser Verfahren sind zahlreich und ermöglichen eine ressourcenschonende, kundenorientierte Fertigung von Bauteilen, welche zur stetigen Entwicklung neue Anwendungsbereiche und Werkstoffe führen. Aufgrund der steigenden Anwendungsfälle, nimmt auch der Wunsch nach Betriebssicherheit unabhängig von anschließenden kostenintensiven zerstörenden und zerstörungsfreien Prüfverfahren zu. Zu diesem Zweck werden im Rahmen des von der BAM durchgeführten Themenfeldprojektes „Prozessmonitoring in Additive Manufacturing“ verschiedenste Verfahren auf ihre Tauglichkeit für den in-situ Einsatz bei der Prozessüberwachung in der additiven Fertigung untersucht. Hier werden drei dieser in-situ Verfahren, die Thermografie, die optische Emissionsspektroskopie und die Schallmissionsanalyse für den Einsatz beim Laser-Pulver-Auftragschweißen betrachtet.