20.10.2021

Additive Fertigung, Laserstrahl

Das Projekt ATLAMP hat sich zum Ziel gesetzt, die Kontrolle und Regelung des Fertigungsprozesses in der Additiven Fertigung entscheidend voranzubringen.

Quelle: BAM

Projektlaufzeit

01.06.2021 - 31.08.2023

Projektart

Verbundforschungsprojekt

Projektstatus

Laufend

Kurzbeschreibung

Im ATLAMP-Projekt wird ein zweistufiges in-situ Überwachungssystem für den L-PBF Prozess, ein additives Fertigungsverfahren für metallische Bauteile, entwickelt.

Ort

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) Zweiggelände Adlershof
Richard-Willstätter-Straße 11
12489 Berlin

Grafik verschiedener Messsysteme im L-PBF Prozess

Beispiele für Messsysteme im L-PBF Prozess (von r.o. im Uhrzeigersinn ): Off-axis Thermographie, Optische Tomographie, Partikel-Spektrometrie, Melt-Pool-Monitoring, Optische Spektrometrie, Koaxiale Thermographie

Quelle: BAM

Im Projekt wird ein neuartiges in-situ Überwachungssystem für den Pulverbett-basierten Additive Manufacturing (AM) Prozess entwickelt. Passive optische Tomografie und aktive Laserthermografie werden als bildgebende Verfahren kombiniert und mittels Machine Learning interpretiert. Die mit diesem System erfassbaren Prozessdaten ermöglichen es erstmals, z.B. Risse direkt während des AM-Prozesses zu erfassen und diese Defekte durch Parameteranpassungen in-process auszuheilen. Damit stellt dieses System eine disruptive Entwicklung im Bereich des AM-Prozessmonitoring dar.

Ein Pfeil in der Mitte einer Zielscheibe

Quelle: BAM

Ziel ist es, durch eine optimierte Messtechnik die Qualitätssicherung bereits in den additiven Aufbauprozess zu integrieren. Damit wird eine höhere Bauteilsicherheit und -zuverlässigkeit für additiv gefertigte Komponenten gewährleistet, bei zugleich nachhaltiger Fertigung. Mit dem dabei gewonnenen Verständnis für den AM-Prozess und durch die Dokumentation der Bauteilqualität kann die additive Fertigung auch in sicherheits-relevanten Industriezweigen wie z.B. der Luftfahrt etabliert werden. Die Messtechnik kann auch nachträglich in AM-Anlagen integriert werden.

Stilisierter Programmablaufplan

Quelle: BAM

Die Komponenten des angestrebten Prozessüberwachungssystems werden an einer u. a. zu diesem Zweck konzipierten L-PBF-Forschungsanlage entwickelt und anschließend zu einem System zusammengeführt (Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) . Der Fokus liegt hierbei auf der Untersuchung und Optimierung geeigneter Kamerasysteme und Machine Learning basierter Analysealgorithmen. Die Validierung des Systems erfolgt an den fertigen Bauteilen mit Hilfe zerstörender und zerstörungsfreier Referenzverfahren.

Händeschütteln

Quelle: BAM


Partner

ThetaScan GmbH

Förderer

BMWI – Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)

Projektträger

VDI/VDE Innovation + Technik GmbH

ATLAMP - Aktive Thermografie mit Laseranregung zur in-situ Detektion von Fehlern während der Additiven Fertigung im Metall-Pulverbettverfahren

Die additive Fertigung bietet mit ihren geometrischen Freiheitsgraden neue Möglichkeiten der Formgestaltung und Optimierung von metallischen Funktionsbauteilen. Um additiv gefertigte Komponenten z.B. in der Luft- und Raumfahrttechnik einsetzten zu können, bedarf es jedoch einer gesicherten Qualitätskontrolle der Bauteile. Momentan wird diese hauptsächlich dem Fertigungsprozess nachgelagert und mittels Computer Tomografie realisiert. Dies resultiert in einer kosten- und zeitintensiven Fertigung, welche die Vorteile der additiven Fertigung schwächt.

Aktuell verfügbare in-situ Überwachungssysteme erfassen während der Fertigung vor allem vom Schmelzbad emittierte Wärmestrahlung im sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich. Diese Systeme können daher Defekte, welche sich erst nach dem Abkühlen des Schmelzbades ausbilden, nicht detektieren. Auch die zuverlässige und effektive Interpretation der erfassten Daten stellt noch immer eine Herausforderung dar.

Im ATLAMP-Projekt wird deshalb ein zweistufiges in-situ Überwachungssystem entwickelt. Jede Schicht des Aufbauprozesses wird zunächst während der Fertigung mittels optimierter optischer Tomografie auf Prozessinstabilitäten als mögliche Defektherde untersucht. Nach Abkühlung der Schicht werden diese vorselektierten Bereiche mittels Laserthermografie geprüft und Defekte wie Erstarrungsrisse können erstmals erfasst werden. Eine KI-basierte Auswertung der Messdaten wird es ermöglichen, Maßnahmen zum Ausheilen, zur Reduzierung oder Vermeidung von Defekten oder ein Abbruch des Bauprozesses in Echtzeit zu veranlassen.

Optische Tomographie-Aufnahme

Optische Tomographie-Aufnahme einer L-PBF Probe mit sichtbaren Aussparungen

Quelle: BAM

Durch die Kombination von optischer Tomografie und Laserthermografie können erstmals auch Defekte in-situ detektiert werden, welche im additiven Aufbauprozess nach dem Erstarren des Schmelzbades entstehen. Mit Hilfe der KI-basierten Datenauswertung können diese Defekte in einem Regelprozess entweder reduziert oder sogar vermieden werden. Sind die Defekte zu groß, dann kann der Bauprozess unmittelbar abgebrochen werden. Dies erhöht die Sicherheit der gefertigten Bauteile und die Wirtschaftlichkeit des additiven Fertigungsprozesses.

Projektleitung

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Fachbereich Thermografische Verfahren

Partner

ThetaScan GmbH

Förderung

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWI), Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM),
Projektträger: VDI/VDE Innovation + Technik GmbH

Logos von ZIM und BMWi

Logos: Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (links) und BMWi (rechts)

Quelle: ZIM und BMWi