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Als Beispiel für moderne Produktion ist die additive Fertigung (ugs. „3D-Druck“) bei der Herstellung von hochkomplexen metallischen Bauteilen, bionisch inspiriertem Leichtbau oder Prototypen nicht mehr wegzudenken. Die Qualitätssicherung (QS) von Bauteilen für sicherheitskritische Anwendungen stellt jedoch noch eine Herausforderung dar. Die Additive Fertigung (AM) ist ein vergleichsweise junges und datenintensives Fertigungsverfahren. Daher ist es ideal geeignet, die neuen Werkzeuge einer digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI) für die moderne Produktion zu erproben und weiterzuentwickeln.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Additive Fertigungsverfahren gewinnen aufgrund der schnellen, flexiblen und kostengünstigen Fertigung von Bauteilen zunehmend an Bedeutung. Das Laserpulverauftragschweißen (LPA) wurde anfangs hauptsächlich als Beschichtungsverfahren eingesetzt. Diese Technologie bewerkstelligt aber auch das Reparieren von verschlissenen Bauteilen, sodass diese zeitsparend und ressourcenschonend erneuert werden können. Die hohe Aufbaurate, die flexible Pulverzusammensetzung sowie die hohe Endkonturnähe ermöglichen die Entwicklung und additive Fertigung von neuen Materialien.
Im Rahmen dieses Beitrages wurde das Verfahren des Laserpulverauftragschweißens zur additiven Fertigung von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen angewandt. Diese Legierungsgruppe ist aufgrund der Eigenschaft der Gestalterinnerung ein äußerst interessantes Legierungssystem mit unterschiedlichen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Medizintechnik. Zur Erzeugung einer äquiatomaren NiTi-Legierung wurden die Elementpulver in einem Verhältnis von 55,9 wt.% Nickel und 44,1 wt.% Titan miteinander vermischt. Das Auftragen von Einzelspuren, Schichten und dreidimensionalen Körpern erfolgte auf unterschiedlichen Substratplatten aus Titan-, Nickel- und Nickeltitanlegierungen. Die metallographischen Untersuchungen zeigten, dass sich in Abhängigkeit des Substratmaterials unterschiedliche Phasen ausbilden und Risse vom Substrat durch den additiven Aufbau auftreten. Bei mehrlagigem Aufbau kam es sogar zur Ablösung des additiven Aufbaus von der Substratplatte. Der artgleiche additive Aufbau, sprich NiTi-Legierung auf einem NiTi-Substrat (Ni50,8Ti49,2 in at.%), führte zur keiner Materialablösung. Das Gefüge sowie die Phasenzusammensetzungen bieten in diesem Bereich noch viel Forschungsbedarf.
Die additive Fertigung von metallischen Bauteilen (Additive Manufacturing - AM; auch 3D-Druck genannt) bietet eine Vielzahl an Vorteilen gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden. Durch den schichtweisen Auftrag und das selektive Aufschmelzen von Metallpulver im Laser Powder Bed Fusion Prozess (L-PBF) sind u.a. optimierte und flexibel anpassbare Designs und die Nutzung von neuartigen Materialien möglich. Aufgrund der Komplexität des AM-Prozesses und der Menge an Einflussfaktoren ist eine Qualitätssicherung der gefertigten Bauteile unabdingbar. Verschiedene in-situ Monitoringansätze werden bereits angewendet, jedoch findet eine dedizierte Prüfung erst im Nachgang der Fertigung ex-situ statt. Der Grund dafür ist, dass die Entstehung von geometrischen Abweichungen und Defekten auch zeitversetzt zum eigentlichen Materialauftrag und damit auch zum Monitoring stattfinden kann. Die Notwendigkeit geeigneter in-situ Prüfmethoden für L-PBF, um die Erforderlichkeit einer Nacharbeitung frühzeitig festzustellen und Ausschuss zu vermeiden ist angesichts kostenintensiver Ausgangsstoffe und einer oftmals mehrstündigen bis mehrtägigen Prozessdauer besonders hoch.
Daraus motiviert wird im Rahmen des Projektes ATLAMP die Möglichkeit der aktiven Laserthermografie mit Hilfe des defokussierten Fertigungslasers untersucht. Damit ist, bei vergleichsweise geringer Laserleistung, eine zerstörungsfreie Prüfung mittels Flying Spot Thermografie möglich. Diese findet jeweils anschließend an die Fertigung einer Schicht statt, womit der reale Status des Bauteils im Verlauf des AM-Prozesses geprüft wird.
Als Grundlage dafür werden im Rahmen dieser Arbeit mit AM gefertigte, defektbehaftete Probekörper zunächst losgelöst vom Fertigungsprozess untersucht. Damit werden die Grundlagen für den neuartigen Ansatz der aktiven in-situ Laserthermografie im L-PBF-Prozess mittels des Fertigungslasers geschaffen. Auf diese Weise lassen sich auch zeitversetzt auftretende Defekte zerstörungsfrei im Prozessverlauf feststellen und eine aussagekräftige Qualitätssicherung des Ist-Zustands des Bauteils erreichen.
In den letzten Jahren hat vor allem die Nachfrage nach additiven Fertigungstechnologien und Reparaturverfahren für Hochfeste Werkstoffe einen starken Aufschwung erlebt. Ein Verfahren, welches sich neben der Herstellung von Beschichtungen besonders für diese Anwendungen eignet, ist das Laser-Pulver-Auftragschweißen. Es wird besonders für Reparaturen bzw. zur Herstellung von teuren Bauteilen, wie Werkzeuge oder Turbinenteilen, eingesetzt. Da diese Teile oft großen mechanischen sowie thermischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es besonders wichtig, dass die erzeugte Struktur eine hohe Qualität aufweist. In dieser Arbeit wird die statistische Versuchsplanung genutzt, um Modelle für die Oberflächenbeschaffenheiten von Inconel 718 zu generieren. Als Grundlage dient hierbei ein zentral zusammengesetzter Versuchsplan mit großem Parameterfenster. So wird die Leistung zwischen 550 Watt und 1950 Watt, der Vorschub von 530 mm/min bis 920 mm/min, der Pulvermassenstrom von 3 g/min bis 12 g/min sowie der Spotdurchmesser von 1 mm bis 2 mm variiert. Auf diese Weise wird die Spurgeometrie beeinflusst. Darüber hinaus wird das Überlappungsverhältnis zwischen 20% bis 50% verändert. Die Auswertung der Oberflächenbeschaffenheit erfolgt mit dem auf der Fokusvariation basierendem Oberflächenmessgerät Alicona Infinite-Focus. Dieses Verfahren der 3D Mikrokoordinatenmesstechnik gewährleistet eine zuverlässige Auswertung der Spurgeometrie, der Welligkeit sowie die Messung der mittleren arithmetischen Höhe Sa zur Bestimmung der Oberflächenrauheit. Anschließend werden die generierten Modelle verifiziert. Ziel dabei ist, kostenintensive Vorversuche in Zukunft einzusparen. Darüber hinaus wird das Prozessverständnis erweitert und signifikante Einflussfaktoren identifiziert.
In-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung von Metallen (PBF-LB /M) mittels TT und ET
(2022)
Durch die additive Fertigung ergeben sich durch die nun mögliche wirtschaftliche Fertigung hochgradig individueller und komplexer metallischer Bauteile in kleinen Stückzahlen bis hinunter zum Einzelstück für viele Industriebereiche ganz neue Möglichkeiten.
Gleichzeitig entstehen jedoch neue Herausforderungen im Bereich der Qualitätssicherung, da sich auf statistischen Methoden beruhende Ansätze nicht anwenden lassen, ohne wiederum die Vorteile der Fertigung massiv einzuschränken.
Eine mögliche Lösung für dieses Problem liegt in der Anwendung verschiedener In-situ-Überwachungstechniken während des Bauprozesses. Jedoch sind nur wenige dieser Techniken kommerziell verfügbar und noch nicht so weit erforscht, dass die Einhaltung strenger Qualitäts- und Sicherheitsstandards gewährleistet werden kann. In diesem Beitrag stellen wir die Ergebnisse einer Studie über mittels L-PBF gefertigte Probekörper aus der Nickelbasis-Superlegierung Haynes 282 vor, bei denen die Bildung von Defekten durch lokale Variationen der Prozessparameter wie der Laserleistung provoziert wurde. Die Proben wurden in-situ mittels Thermographie, optischer Tomographie, Schmelzbadüberwachung und Wirbelstromprüfung sowie ex-situ mittels Computertomographie (CT) überwacht, mit dem Ziel, die Machbarkeit und die Aussichten der einzelnen Methoden für die zuverlässige Erkennung der Bildung relevanter Defekte zu bewerten.
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.
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.
In diesem Vortrag wird am Beispiel magnetischer Werkstoffe zur Energiewandlung gezeigt, wie röntgentomographische Untersuchungen zur Strukturaufklärung in Kompositen und Massivproben beitragen können. Die Bauteile werden zerstörungsfrei geprüft, um Risse, Poren und andere Defekte und ihren Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften dreidimensional und rechtzeitig im Lebenszyklus des Werkstoffs zu charakterisieren. Kombiniert man Mikrotomographie mit anderen Methoden der magnetischen Werkstoffcharakterisierung, lassen sich einzigartige Aussagen über den Aufbau und die funktionellen Eigenschaften treffen.
Additive Fertigungsverfahren, speziell das selektive Laserschmelzen sowie das Laserpulverauftragsschweißen, ermöglichen eine enorme Steigerung der Flexibilität und erlauben Kleinserienteile mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten herzustellen.
Für den erfolgreichen wirtschaftlichen Einsatz dieser neuartigen Fertigungsverfahren spielt die Einhaltung des First-time-right-Prinzips eine entscheidende Rolle: Bauteile sollten bereits im ersten Versuch allen Anforderungen genügen. Aufgrund der jungen Geschichte dieses Fertigungszweigs und der damit einhergehenden fehlenden Erfahrungen und Richtlinien ist diese elementare Forderung heute nur in wenigen Fällen realisierbar. Die geforderten Qualitätsstandards können aktuell nur über experimentelle Iterationsschleifen eingehalten werden, sodass das große Potential einer flexiblen und schnellen Fertigung in erheblichem Maß reduziert wird. Die Komplexität der gefertigten Bauteile und die des Prozesses an sich lassen eine erfahrungsbasierte Vorhersage der Verzüge und Eigenspannungen kaum zu. Zudem werden auch in Zukunft Richtlinien und Normen nicht das komplette Anwendungsspektrum abbilden können. Die eigenspannungsbedingten Verzüge spielen demnach eine bedeutende Rolle und stellen zusammen mit dem Erreichen der Maßhaltigkeit eine entscheidende technologische Herausforderung beim Einsatz additiver Fertigungsverfahren dar. Die numerische Simulation ermöglicht die Vorhersage von Bauteilverzügen und –spannungen und kann durch virtuelle Abprüfung von Herstellstrategien die Anzahl von Experimente reduzieren. Bisherige numerische Betrachtungen von zusatzwerkstoffbasierten Verfahren, zu denen unter anderem das Laserpulverauftragschweißen (LPA) gehört, beschränkten sich primär auf akademische Beispiele mit geringer Komplexität. Für die Simulation von konkreten Anwendungsfällen auf Bauteilebene liegen bisher keine validierten, numerischen Methoden und Ansätze vor, die eine wirtschaftliche Anwendung der Schweißsimulation ermöglichen.
Dieses Projekt wird Simulationsmodelle zur numerischen Betrachtung komplexer additiv gefertigter Bauteile entwickeln. Dafür wird der Prozess in vereinfachten Simulationen nachgebildet und anhand von Experimenten validiert. Anschließend werden Methoden zur automatisierten Pfadgenerierung für komplexe Bauteile erprobt und in der Simulation implementiert. Schließlich werden zur Reduktion der Rechenzeit verschiedene Methoden zur Vereinfachung evaluiert und verglichen. Das Ziel ist die Steigerung der Verlässlichkeit in der Simulation, um prädiktive Aussagen über die Qualität additiv gefertigter Bauteile zu ermöglichen.