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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.
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.
Im additiven Fertigungsprozess Laser-Pulverbettschweißen wird Metallpulver lagenweise mittels eines Lasers aufgeschmolzen, um Bauteile zu generieren. Hierbei werden die Eigenschaften der Bauteile zu einem großen Teil durch die im Verlauf des Prozesses vorliegenden Temperaturen bestimmt. Dies beinhaltet unter anderem Materialeigenschaften wie Mikrostruktur, Härte, thermische und elektrische Leitfähigkeiten sowie die Ausbildung von Defekten wie z.B. Anbindungsfehler, Keyhole-Porosität (Gaseinschlüsse) oder auch die Ausbildung von Rissen. Zur Überwachung bzw. Vorhersage dieser Eigenschaften sowie zum Abgleich von Simulationen ist eine orts- und zeitaufgelöste Messung der Temperaturverteilung im Prozess daher von herausragender Bedeutung. In der Industrie kommen optische Verfahren, die auf der Messung der thermischen Strahlung basieren, regelmäßig zum Einsatz. Allerdings dienen diese bislang nur der statistischen Auswertung und der Identifikation von Abweichungen vom Normalprozess. Der quantitativen Auswertung zur Temperaturbestimmung stehen aktuell noch eine Vielzahl von Herausforderungen entgegen. Einerseits stellt der Prozess an sich hohe Anforderungen an die Datenerfassung und -auswertung: der Emissionsgrad verändert sich dynamisch im Prozess und lokale Schmauchbildung sorgt für potenzielle Absorption oder Streuung der thermischen Strahlung oder auch des Fertigungslasers. Weiterhin stellt der hochdynamische Prozess hohe Anforderungen an Orts- und Zeitauflösung der eingesetzten Sensorik (z.B. Kameratechnik). Andererseits erschweren an üblichen kommerziell erhältlichen Fertigungsanlagen praktische Hindernisse wie eine eingeschränkte optische Zugänglichkeit und der fehlende Zugriff auf die Anlagensteuerung sowie fehlende Möglichkeiten der Synchronisation der Messtechnik mit dem Prozess eine eingehende Untersuchung dieser Effekte.
Um letztere Hindernisse zu umgehen, wurde an der BAM die Forschungsanlage SAMMIE (sensor-based additive manufacturing machine) entwickelt. Einerseits bietet das System alle Möglichkeiten, die auch übliche kommerzielle Systeme bieten. Dies beinhaltet die Fertigung ganzer Bauteile (maximale Größe ca. 65mm x 45 mm x 30 mm) und den Einsatz einer Inertgasatmosphäre inkl. gefiltertem Schutzgasstrom. Andererseits bietet es aber auch einen besonders kompakten Bauraum, um die Sensorik möglichst nah an den Prozess führen zu können, sechs optische Fenster zur Prozessbeobachtung aus unterschiedlichen Winkeln und die Möglichkeit der Prozessbeobachtung koaxial zum Fertigungslaser. Des Weiteren besteht eine einfache Austauschbarkeit aller Fenster, Spiegel und Strahlteiler, um den gesamten optischen Pfad der aktuellen Messaufgabe flexibel anzupassen. Die komplette Anlagensteuerung ist eine Eigenentwicklung und bietet daher auch völlige Anpassbarkeit. Eine synchrone und frei konfigurierbare Triggerung diverser Sensoriken und synchrone Datenerfassung bieten maximale Kontrolle über die Sensorsteuerung.
Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die Fertigungsanlage SAMMIE. Wissenschaftliche Ergebnisse sowie laufende Arbeiten an der Anlage werden in weiteren Beiträgen vorgestellt.
Die metallische additive Fertigung hat in den letzten Jahren in der industriellen Fertigung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Hierbei dominiert das Laser-Pulverbettschweißen von Metallen (PBF/LB-M) die Fertigung von kleinformatigen Bauteilen mit hoher Oberflächengüte. Die anspruchsvolle und kostspielige Qualitätssicherung stellt aber weiterhin ein Hindernis für eine breitere und kostengünstigere Anwendung der additiven Fertigung dar. Dies resultiert teilweise aus fehlenden zuverlässigen In-situ-Monitoringsystemen. Belastbarere Prozessüberwachungsdaten würden eine oft erforderliche teure nachgelagerte Prüfung mittels Computertomografie entbehrlich machen. Die Aufzeichnung der thermischen Signaturen des Aufbauprozess mittels Thermografie-Kameras zeigen hier vielversprechende Ergebnisse. Eine Korrelation zu auftretender Porosität, Delaminationen und Deformationen scheinen möglich. Die geringe räumliche Auflösung und die hohen Anschaffungskosten für thermografische Kamerasysteme stehen jedoch einer größeren industriellen Nutzung im Wege.
Ein bereits industriell angewendeter Ansatz zur in-Situ Überwachung des PBF-LB/M Prozesses ist die Optische Tomografie (OT). Hierbei wird die emittierte Prozessstrahlung jeder Bauteilschicht mittels einer hochauflösenden günstigen Kamera für den sichtbaren Wellenlängenbereich in einer Langzeitbelichtung dokumentiert. Die zeitliche Information der emittierten Strahlung geht hierbei verloren. Der gesamte Bauprozess kann jedoch in einem vergleichsweise kleinen Datensatz dokumentiert werden (ein Bild pro Schicht). Eine direkte Korrelation zu auftretenden Defekten gestaltet sich aufgrund der reduzierten thermischen Informationsdichte jedoch schwierig.
In diesem Beitrag soll deshalb das Prinzip der Multispektralen Optischen Tomografie (MOT) vorgestellt und erste Messergebnisse an der Forschungsanlage SAMMIE diskutiert werden. Bei der MOT handelt es sich um eine Übertragung des Prinzips der Quotientenpyrometrie auf das etablierte Verfahren der Optischen Tomografie. Die auftretende Prozessstrahlung wird in mehreren Wellenlängenbereichen ortsaufgelöst über die gesamte Bauplattform erfasst und zeitlich in einer Langzeitbelichtung integriert. Hierbei kommen günstige Kamerasysteme für den sichtbaren Wellenlängenbereich zum Einsatz.
Das erfasste Signal I jedes Bildpixels für jeden separat erfassten Wellenlängenbereich kann als Maß für das zeitliche Integral der spezifischen Ausstrahlung M des Schmelzbades in diesem Wellenlängenbereich gesehen werden. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz hängt die abgestrahlte thermische Leistung P eines idealen Schwarzen Körpers in der vierten Potenz von dessen absoluten Temperatur T ab. Wird nur, wie z.B. bei der klassischen OT angewendet, der nahinfrarote Wellenlängenbereich betrachtet, lässt sich mit dem Planck’schen Strahlungsgesetz sogar eine Proportionalität zur siebten Potenz der Temperatur zeigen. Deshalb liegt ein starker Einfluss der maximal auftretenden Oberflächentemperatur Tmax auf das erfasste Messsignal vor.
Das erfasste Signal I wird aber auch durch die spektrale Transmission τ der verwendeten optischen Komponenten des Kamera-Setups, z.B. Filter und Objektive, durch die spektrale Sensitivität S der verwendeten Kamera-Sensoren und den nur sehr schwer zu bestimmenden Emissionsgrad ε der emittierenden (flüssigen) Oberfläche beeinflusst.
In einer ersten Näherung wird das Schmelzbad hier als Graukörper, also ein Körper mit wellenlängenunabhängigem Emissionsgrad ε, betrachtet. Basierend auf dieser Annahme und vermessenen optischen Eigenschaften des verwendeten Systems ist es möglich, eine erste Schätzung der maximalen Oberflächentemperatur Tmax vorzunehmen, selbst ohne genaue Kenntnis des tatsächlichen Emissionsgrades ε. Dies wird durch die Anwendung des Planck‘schen Strahlungsgesetzes und die Quotienten Bildung aus den einzelnen erfassten Signalen I ermöglicht.
Auch bei diesem Verfahren geht die zeitliche Information einer Schicht, also das Aufwärm- und Abkühlverhalten des Schmelzbades, verloren. Zudem sind die Messergebnisse in Hinblick auf tatsächlich gemessene „maximal auftretende Oberflächentemperatur“ mit gebotener Zurückhaltung zu interpretieren. Trotzdem konnten erste Ergebnisse bereits zeigen, dass die MOT-Daten auch in Bereichen mit Doppelbelichtungen (das teilweise notwendige mehrfache Scannen eines Bereiches mittels des Fertigungslasers) im Gegensatz zur klassischen OT erwartbare Maximaltemperaturen liefern. Abbildung 1 zeigt das erfasste Messergebnis für drei aufeinanderfolgende Schichten eines Bauteils einmal mit MOT (links) und einmal mit einfacher OT (rechts). Deutlich zu erkennen ist das durch die doppelte Belichtung hohe Signal bei der OT. Die Daten der MOT zeigen hier keine erhöhten Werte.
Um die ermittelten Temperaturwerte mittels MOT besser einordnen zu können, sind u.a. vergleichende Messungen an Referenzmaterialien geplant. Um die Auswertung der gemessenen Daten zu verbessern, wird zudem der Zeitverlauf des Abkühlens und Aufheizens des Schmelzbades sowie die Einflüsse von Prozessbeiprodukten wie Schmauch und Spritzer näher untersucht. Auch werden Messungen zum Emissionsgrad ε an additiv gefertigten Proben und Metallschmelzen vorgenommen.
Rapid localized heating and cooling during additive manufacturing using laser deposition method (LMD) lead to loss of dimensional accuracy as well as cracking of built parts. Finite-Element welding simulations allow prediction of geometrical deviations and accumulated residual stresses as well as their optimization before conducting experiments. Due to the great length of stacked welds, calculation times for fully transient thermomechanical simulations are currently long, the calculation stability suffers from the high number of contact bodies in the model and the modelling effort is high, as the geometries need to be sliced and positioned layer-wise.
In this contribution, an integrated modelling approach is demonstrated for a thin-walled LMD component made from 30 layers of 1.4404 (316L) stainless steel: Instead of the layer-by-layer modelling strategy commonly found in the literature, the whole component mesh is kept in one piece and the fully transient, layer-by-layer material deposition is implemented via element sets. In contrast to prior simulations, nonlinear contact between the layers does not have to be considered, significantly decreasing calculation times. The calculated distortions are compared to recently published, in-situ digital image correlation (DIC) measurements as well as numerical simulations conducted with the established layer-wise modelling strategy to judge result quality. Finally, the improvement in calculation time and ease-of-use is compared between both modelling approaches and conclusions regarding future usage for industrial-scale components are drawn.
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.
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.
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.
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.
While additive manufacturing (AM) is blossoming in nearly every industrial field, and the most different process are being used to produce components and materials, little attention is paid on the safety concerns around AM materials and processes.
Leveraging on our leading expertise in non-destructive testing (NDT) and materials characterization, we approach AM at BAM under two important viewpoints: first the on-line monitoring of the process and of the product, second the evolution of the (unstable) microstructure of AM materials under external loads.
These two subjects are the core of the two new-born internal projects ProMoAM and AGIL, respectively.
A detailed view of the goals and the organization of these two projects will be given, together with the expected output, and some preliminary results.