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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.
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.
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.
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.
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.
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.
Diese Untersuchung beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Kurzrisswachstum in mittels Laser-Pulverbett-Verschmelzen (LPBF - Laser Powder Bed Fusion) hergestelltem rostfreien austenitischen Stahl. Spezifischer wird die Ermittlung zyklischer R-Kurven untersucht. Diese beschreiben den Aufbau des Widerstands gegen Ermüdungsrisswachstum - d.h. des Schwellenwertes - aufgrund von Rissschließeffekten bei physikalisch kurzen Rissen. Mit Hilfe der zyklischen R-Kurven kann die Fähigkeit eines Bauteils, physikalisch kurze Risse zu arretieren, charakterisiert werden. Wir verfügen damit über eine Schnittstelle zwischen klassischer Ermüdung und Bruchmechanik. Das ist gerade auch für additiv gefertigte (AM – Additive Manufacturing) Materialien von Interesse. Diese weisen prozessintrinsische Defekte auf, die als Initiierungsstellen kurzer Ermüdungsrisse agieren. Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurden zyklische R-Kurven für konventionellen und LPBF AISI-316L-Stahl ermittelt. Insbesondere wurde der Einfluss verschiedener Wärmebehandlungen (WB1: 450°C, WB2: 800°C und WB3: 900°C) auf das Wachstumsverhalten physikalisch kurzer Risse im LPBF-Material untersucht. Aufgrund hoher Eigenspannungen war die Ermittlung des Kurzrisswachstumsverhaltens bei WB1 nicht möglich. Für WB2 und WB3 ergaben sich sehr unterschiedliche zyklische R-Kurven. Untersuchungen der Eigenspannungen, der Bruchfläche (insbesondere der Rauheit) und der Mikrostruktur sollen die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten erklären. Die Ergebnisse werden mit den Verhältnissen in konventionellem Material verglichen.
Quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing, with particular focus on additively manufactured materials. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) and Neutron diffraction can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces and residual stress analysis, respectively.
Heterogene Fehlstellendichten und Mikrostrukturausbildungen sind große Heraus-forderungen für den Einsatz des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens (L PBF) besonders für sicherheitskritische Bauteile. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (ILT) bisher wenig Beachtung gefunden. Sie nimmt ebenso wie die Bauteilgeometrie Einfluss auf die thermische Historie während der Fertigung. Ihr Einfluss auf die intrinsische Vorerwärmung ist in Kombination mit der Bauteilhöhe mittels thermografischer Temperaturmessung untersucht worden. Signifikante Unterschiede in der thermischen Historie konnten dabei mit variierenden Schmelzbaddimensionen, Korngrößen und Fehlstellendichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L in Zusammenhang gebracht 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.
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.
Das pulverbettbasierte selektive Laserstrahlschmelzen (engl. laser powder bed fusion, L-PBF) ist die am weitesten verbreitete additive Fertigungstechnologie für die Herstellung metallischer Komponenten. Unter der Vielzahl an Einflussfaktoren auf die Qualität und die mechanischen Eigenschaften von L-PBF-Bauteilen hat die Zwischenlagenzeit (engl. inter layer time, ILT) bisher kaum Beachtung in der wissenschaftlichen Literatur gefunden, obwohl sie je nach Bauraumausnutzungsgrad stark variieren kann. In diesem Vortrag werden Ergebnisse einer Studie präsentiert, die den Einfluss der ILT in Kombination mit der Bauteilhöhe und unter Berücksichtigung verschiedener Volumenenergiedichten am Beispiel der austenitischen Stahllegierung AISI 316L untersucht. Die Fertigungsprozesse wurden in-situ mittels Thermographiekamera überwacht. Auf diese Weise konnten intrinsische Vorerwärmungstemperaturen während der Bauteilfertigung lagenweise extrahiert werden. Es wurden signifikante Effekte der ILT und der Bauteilhöhe auf Wärmeakkumulation, Mikrostruktur, Schmelzbadgeometrie und Härte festgestellt. Ferner konnte ein Anstieg von Defektdichten bei einem gegenseitigen Wechselspiel aus Bauteilhöhe und ILT aufgezeigt werden. Die Zwischenlagenzeit wurde somit als kritischer Faktor für die L-PBF-Fertigung von Realbauteilen identifiziert.
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 LPBF process is characterized by a large number of influencing factors which can be hard to quantify. Machine Learning (ML) is a prominent tool to predict the outcome of complex processes on the basis of different sensor data. In this study, a ML model for defect prediction is created using thermographic image features as input data. As a reference, the porosity information calculated from an x-ray Micro Computed Tomography (µCT) scan of the produced specimen is used. Physical knowledge about the keyhole pore formation is incorporated into the model to increase the prediction accuracy. From the prediction result, the quality of the input data is evaluated and future demands on in-situ monitoring of LPBF processes are formulated.
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.