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The “Mise en pratique for the definition of the kelvin” (MeP-K) was established in April 2006 to be the repository of information required to perform a “practical measurement of temperature in accordance with the International System of Units (SI).” This article describes the progress made by the MeP-K HT (High Temperature Task Group) of CCT-WG5 (radiation thermometry) in drawing together the appropriate methods for accessing thermodynamic temperature above the silver point involving direct radiometric measurements on the one hand and indirect extrapolation, interpolation, and least-squares fitting on the other. An examination of the uncertainties and a brief discussion of the advantages and disadvantages of the various approaches are given. A summary of the remaining issues to be resolved concludes the article.
Die Effizienzsteigerung moderner Gasturbinen erfordert die stetige Anhebung der Betriebstemperatur. Die derzeitigen Brenngastemperaturen liegen mit über 1400 °C signifikant über der kritischen Temperatur der verwendeten Turbinenstähle. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit werden die Turbinenschaufeln neben Aktivkühlung durch Beschichtung mit thermischen Schutzschichten, sogenannten thermal barrier coatings (TBC), geschützt. Da es sich bei den TBC um Keramikschichten handelt, ist für die Erhöhung der Haftfestigkeit das Aufbringen eines Haftvermittlers (Verbindungsschicht) notwendig. Da die Eigenschaften dünner Schichten stark von den Eigenschaften des Bulkmaterials abweichen können und zudem von der Herstellungsmethode beeinflusst werden, ist eine Untersuchung der thermischen und infrarot-optischen Eigenschaften der tatsächlichen Schichtstrukturen unumgänglich, insbesondere im Hochtemperaturbereich. Hierfür wurden Proben des reinen Trägerstahls, des Trägerstahls mit Haftvermittlerschicht und des kompletten Schichtsystems aus Trägerstahl, Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht verschiedener Dicken hergestellt und mittels Laser-Flash-Methode untersucht. Die Auswertung erfolgte dabei analytisch, ausgehend von der Trägerstahl-Einschichtprobe, über die Zweischicht- und Dreischichtsysteme. Vervollständigt wurden diese Untersuchungen durch infrarot-optische Charakterisierungen, mit denen sich die Wärmeausbreitung durch die Schichtsysteme beschreiben lässt. Zusammen mit den Laser-Flash Messungen erlaubt dies eine spätere Quantifizierung der einzelnen, bei Keramiken auftretenden, Wärmetransportmechanismen.
In the last decade many different additive manufacturing (AM) technologies for metal, plastic or ceramic processing raise from research to commercialization. As a result, AM grows into different business areas and transforms structures and processes. Hence, the contribution tends to show the change in added values though the availability of different additive manufacturing technologies based on a technology screening and market research. Regarding the named purpose, a broad market research of 83 companies and 339 printer models has been conducted to find patterns of AM technology market share and regions to structure indicators such as accuracy by processed material classes with a specified AM method. Printing materials as metal, plastic, ceramic and carbon have been considered. The categorization is done by the AM principles: power bed fusion, material extrusion, vat photopolymerization and …
First time right is one major goal in powder based 3D metal printing. Reaching this goal is driven by reducing life cycle costs for quality measures, to minimize scrap rate and to increase productivity under optimal resource efficiency. Therefore, monitoring the state of the powder bed for each printed layer is state of the art in selective laser melting. In the most modern approaches the quality monitoring is done by computer vision systems working with an interference on trained neural networks with images taken after exposure and after recoating. There are two drawbacks of this monitoring method: First, the sensor signals - the image of the powder bed - give no direct height information. Second, the application of this method needs to be trained and labeled with reference images for several cases. The novel approach presented in this paper uses a laser line scanner attached to the recoating machine. With this new concept, a direct threshold measure can be applied during the recoating process to detect deviations in height level without prior knowledge. The evaluation can be done online during recoating and feedback to the controller to monitor each individual layer. Hence, in case of deviations the location in the printing plane is an inherent measurement and will be used to decide which severity of error is reported. The signal is used to control the process, either by starting the recoating process again or stopping the printing process. With this approach, the sources of error for each layer can be evaluated with deep information to evaluate the cause of the error. This allows a reduction of failure in the future, which saves material costs, reduces running time of the machine life cycle phase in serial production and results in less rework for manufactured parts. Also a shorter throughput time per print job results, which means that the employee can spent more time to other print jobs and making efficient use of the employee’s work force. In summary, this novel approach will not only reduce material costs but also operating costs and thus optimize the entire life cycle cost structure. The paper presents a first feasibility and application of the described approach for test workpieces in comparison to conventional monitoring systems on an EOS M290 machine.
Production companies are getting more and more aware of the relevancy of energy costs and the environmental impact of their manufactured products. Hence, the knowledge about the energy intensity of new process technologies as metal printing becomes increasingly crucial. Therefore, data about the energy intensity of entire process chains allow a detailed assessment of the life cycle costs and environmental impact of metal printed parts. As metal printing with Laser Powder Bed Fusion (LPBF) is applied from rapid prototyping to serial manufacturing processes more and more, sustainability data are useful to support a valid scale-up scenario and energetic improvements of the 3D-printing machinery as well as peripheral aggregates used in the process chain. The contribution aims to increase the transparency of the LPBF process chain in terms of its energy consumption. Therefore a generalized model to assess sustainability aspects of metal printed parts is derived. For this purpose, the LPBF process chain with the essential pre-, main- and post-processes is evaluated regarding its energy intensity. Here, the sub-processes, for example wet and dry cleaning of the printer, sieving of the metal powder or sand-blasting of the part are analyzed as well as the main printing process. Based on the derived experimental data from an installed, industry-like process chain, a model is created, which tends to generalize the experimental findings to evaluate other metal printed parts and process chain variants in terms of their energy intensity.
Industriezweige wie die Glas-Industrie, die Kraftwerkstechnik sowie die Luft- und Raumfahrttechnik müssen kontinuierlich neue Methoden entwickeln, sowie bestehende Verfahren optimieren, um in ihren Bereichen wettbewerbsfähig zu sein bzw. neue Anforderungen an Umwelt- und Klimaschutz zu erfüllen. Dies beinhaltet oft die Entwicklung neuer Materialien, die leichter zu fabrizieren sind und sowohl mechanisch als auch thermisch höheren Belastungen standhalten. Für die genannten Industriezweige sind Prozesse mit hohen Betriebstemperaturen bis zu 3.000 °C kennzeichnend und damit ist die Kenntnis von Materialeigenschaften bei diesen extremen Temperaturen von großer Bedeutung. Auch wenn es bereits einige Messapparaturen für die Bestimmung von thermophysikalischen Materialdaten bei hohen Temperaturen gibt, muss die Rückführung dieser auf die SI Basiseinheiten gewährleistet werden, um die Zuverlässigkeit der gemessenen Daten für die Anforderung der genannten Branchen sicherzustellen.
Diese Aufgabe ist das Ziel des EMPIR-(European Metrology Programme for Innovation and Research) Projektes Hi-TRACE [1]. Hi-TRACE zielt darauf ab, Referenzapparaturen und neue
Methoden für die Messung von thermophysikalischen Materialeigenschaften, (thermische Diffusivität, spezifische Wärme, Emissionsgrad und Schmelztemperatur) sowie der Haftung
von Schichten über 1.000 °C zu bestimmen.
Das direkte Metall-Laser-Schmelzen (DMLS) aus der Familie der Additiven Fertigungsverfahren (AM) ermöglicht die schichtweise Erzeugung komplexer dreidimensionaler Geometrien mit hoher relativer Dichte unter Verwendung von Metallpulver als Ausgangsmaterial [1]. Die Technologie wird zunehmend eingesetzt, um innovative Bauteile material- und gewichtssparend herzustellen oder komplexe Produkte ohne zusätzliche Werkzeuge oder Spannvorrichtungen zu fertigen. Darüber hinaus sind Funktionsintegrationen, zum Beispiel Gussformen mit eingeprägten Kühlkanälen, möglich. Da einzelne Metallpulverschichten auf vorhergehende Schichten aufgeschmolzen werden, entstehen während der Herstellung des Bauteils komplexe, zeitabhängige Temperaturprofile [2]. Durch den Einsatz hoher Laserintensitäten und Scangeschwindigkeiten, bei denen die Belichtungszeit der Laserbestrahlung im Bereich von Millisekunden liegt, werden zudem extrem hohe Aufheiz- und Abkühlraten induziert, die zu einzigartigen Mikrostrukturen und Materialeigenschaften führen [3].
Diese extremen Prozessbedingungen können sich jedoch auch negativ auf den Fertigungsprozess auswirken. Bei komplexen Bauteilen bleibt die Prozessstabilität und Qualitätssicherung Umfragen zufolge weiterhin die wichtigste technologische Barriere für den Einsatz additiv gefertigter Bauteile in hochbelasteten oder sicherheitsrelevanten Bereichen [4]. Daher verspricht der Zusammenhang zwischen Temperaturprofil während der Fertigung, relativer Dichte der Bauteile, sowie thermophysikalischer Eigenschaften additiv gefertigter Proben wichtige Erkenntnisse, insbesondere im Hinblick auf eine zerstörungsfreie Qualitätssicherung, sowie neue Anwendungsmöglichkeiten.
Additive manufacturing processes, particularly Laser-Based Powder Bed Fusion of Metals (PBF-LB/M), enable the development of new application possibilities due to their manufacturing-specific freedom of design. These new fields of application require a high degree of component quality, especially in safety-relevant areas. This is currently ensured primarily via a considerable amount of downstream quality control. Suitable process monitoring systems promise to reduce this effort drastically. This paper introduces a novel monitoring method in order to gain process-specific thermal information during the manufacturing process. The Synchronized Path Infrared Thermography (SPIT) method is based on two synchronized galvanometer scanners allowing high-speed and high-resolution observations of the melt pool in the SWIR range. One scanner is used to steer the laser over the building platform, while the second scanner guides the field of view of an IR camera. With this setup, the melting process is observed at different laser powers, scan speeds and at different locations with respect to the laser position, in order to demonstrate the positioning accuracy of the system and to initially gain thermal process data of the melt pool and the heat-affected zone. Therefore, the SPIT system shows a speed independent overall accuracy of ±2 Pixel within the evaluated range. The system further allows detailed thermal observation of the melt pool and the surrounding heat-affected zone.