Projekt QT-LPA – „Quantitative Temperaturmessung der additiven Fertigung mittels multispektraler Emissionsgradprädiktion

17.06.2025

• Gegenstand
• Ziel
• Methodik
• Partner + Förderer

Durch den Einsatz in qualitäts- und sicherheitsrelevanten Industriezweigen wird an Additive Fertigungsverfahren die Anforderung gestellt, Bauteile mit hoher Qualität zu fertigen. Bei dem untersuchten DED-LB/M Verfahren, wird mithilfe eines Laserstrahls ein Schmelzbad erzeugt, das unter Zugabe von Metallpulver die Fertigung additiver Strukturen ermöglicht
Für die Bauteilqualität sind nun die Temperaturverläufe während der Fertigung entscheidend. Diese können mittel Thermografie gemessen werden.
Da thermografische Messungen stark vom optischen Setup abhängig sind, können Ergebnisse verschiedener Systeme zum Teil nur schwer miteinander verglichen werden.

Das Projekt zielt darauf ab, eine auf multispektraler Thermografie basierender Methode zur Bestimmung der quantitativ korrekten Temperatur im DED-LB/M Prozess zu entwickeln. Bisherige Untersuchung des Zusammenhangs zwischen thermografischen Merkmalen und den resultierenden Bauteileigenschaften basieren i.d.R. auf kameraspezifischen digitalen Werten. Durch die Messung der Realtemperatur als physikalische Größe soll eine kameraunabhängige und vergleichbare Untersuchung ermöglicht werden. Die Universität Kassel als Kooperationspartner untersucht parallel dazu einen Ansatz, bei dem eine Bestimmung der Temperatur auf Basis von synchronen Messungen eines visuellen und eines thermografischen Kamerasystems erfolgen soll.

Die Verwendung der multispektralen Thermographie erlaubt die parallele Messung thermografischer Signale in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen. Mit der zentralen Methode der Temperatur-Emissionsgrad-Separation sollen anhand der zusätzlichen Informationen aller Kanäle simultan die Temperatur und der wellenlängenabhängige Emissionsgrad bestimmt werden. Voraussetzung einer hohen Genauigkeit ist hierbei möglichst gute Kenntnis über die im Prozess vorliegenden Materialzustände und Emissionsgrade. Daher beinhaltet das Projekt notwendige und ausführliche Referenzmessungen des Emissionsgrades des verwendeten Materials.

Partner:

• Universität Kassel, Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik

Förderung:

• Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
  Projekt 516965606

Durch die vielseitige Fertigungsfreiheit und Materialoptimierung haben sich additive Fertigungsverfahren bereits in vielen industriellen Zweigen etabliert. Um auch in sicherheitsrelevanten Bereich, wie der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik, Anwendung finden zu können, werden hohe Anforderungen an die Qualität und mikrostrukturellen Eigenschaften der gefertigten Bauteile gestellt. Dazu ist es notwendig eine zuverlässige Prozesskontrolle zu implementieren. Mit den nachgewiesenen Zusammenhängen zwischen unterschiedlichen messbaren thermografischen Eigenschaften und den resultierenden mikrostrukturellen Ausprägungen, zeigt die Thermografie ein hohes Potential zur in-situ Prozessüberwachung.

Finden Untersuchungen dieser Zusammenhänge anhand kameraspezifischer, digitaler Messwerte statt, ist es nur schwer möglich eine Übertragbarkeit und Anwendung der Erkenntnisse auf andere Systeme sicherzustellen. Um zukünftig gezielt mechanische und Oberflächeneigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen einstellen zu können, müssen diese Zusammenhänge systemunabhängig bekannt sein. Ein Ansatz ist die Messung der realen, im Prozess auftretenden Temperaturfelder.

Im Projekt QT-LPA soll auf der Basis von multispektraler Thermografie eine Methode entwickelt werden, um die Realtemperatur im DED-LB/M Prozess orts- und zeitaufgelöst zu messen. Ein grundlegendes Verfahren für die Untersuchungen stellt die Temperatur-Emissionsgrad-Separation dar, bei der iterativ und parallel die vorliegende Temperatur und der wellenlängenabhängige Emissionsgrad bestimmt werden. Durch die vielfältigen Einflüsse (Material, Temperatur, Phase, Rauigkeit, …) auf den Emissionsgrad, sind ausführliche Untersuchungen an den verwendeten Metallen notwendig.

Parallel dazu wird ein alternativer Ansatz von dem Kooperationspartner, dem Fachgebiet der Mess- und Regelungstechnik der Universität Kassel, untersucht. Dabei wird ein visuellen Kamerasystem verwendet, um eine zeit- und regionsbasierte Segmentierung durchzuführen, um Materialzustände zu bestimmen. Unter Verwendung der passenden Ergebnisse der Referenzmessungen des Emissionsgrades und den Messwerten einer multispektralen Infrarotkamera sollen so ebenfalls Temperatur und Emissionsgrad zeit- und ortaufgelöst bestimmt werden.

In einem weiterführenden Schritt sollen die Ergebnisse beider Ansätze verglichen und zusammengeführt werden.

Partner

Universität Kassel, Fachgebiet Mess- und Regelungstechnik
http://uni-kassel.de/go/mrt

Förderung

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projekt 516965606
https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/516965606