Justage der Fokusposition eines Aufbaus für die optische Emissionsspektroskopie an einer Anlage zum Laser-Pulver-Auftragsschweißen
Quelle: BAM
Die Qualität additiv gefertigter Bauteile wird wesentlich durch die Prozessparameter während der Fertigung beeinflusst. Für die Prozessüberwachung werden daher Sensoren und Messsysteme zur Kontrolle der Energiequelle, des Bauraums, des Schmelzbades und der Bauteilgeometrie zumindest in der metallbasierten additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) schon kommerziell angeboten. Diese ermöglichen es bisher aber noch nicht, Defekte und Inhomogenitäten direkt oder indirekt nachzuweisen.
Das Projekt Prozessmonitoring in der Additiven Fertigung (ProMoAM) der BAM im Themenfeld Material hat daher das Ziel, Verfahren der Spektroskopie und zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) zur In-situ-Bewertung der Qualität additiv gefertigter Metallbauteile in laser- oder lichtbogenbasierten AM-Prozessen zu entwickeln. Dies beinhaltet neben passiven und aktiven Verfahren der Thermografie die optische Tomografie, die optische Emissionsspektroskopie, die Wirbelstromprüfung, die Laminografie (Radiografie), die Röntgenrückstreuung und fotoakustische Verfahren. Die bisherigen Untersuchungen zeigen, dass z. B. mit der Thermografie die Temperaturverteilung erfasst werden kann. Prognosen zur Defektentstehung werden jedoch erst über die Auswertung von Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten und von räumlichen Temperaturgradienten möglich.
Diese Verfahren werden in verschiedenen AM-Systemen zum Laserstrahlschmelzen, zum Laser-Pulver-Auftrag schweißen und zum Lichtbogengenerieren zum Einsatz gebracht. Merkmale der Messdaten werden in Korrelation zu Fehlern und Inhomogenitäten extrahiert und mit den Fertigungsparametern korreliert. Im Anschluss werden die Resultate dieser Auswertungen mit Referenzverfahren wie Computertomografie und Ultraschall-Tauchtechnik verglichen. Diese Prozessüberwachung soll eine deutliche Reduzierung aufwendiger und zeitintensiver zerstörender oder zerstörungsfreier Prüfungen nach der Fertigung des Bauteiles und zugleich eine Verringerung der Ausschussproduktion bewirken. Da während der Fertigung von M-Bauteilen jedes spätere Volumenelement zunächst auch als Oberfläche zugänglich ist, wird zudem erwartet, dass Inhomogenitäten ebenfalls detektiert werden können, die aufgrund z. B. komplexer Bauteilgeometrien am fertigen Bauteil mit herkömmlichen ZfP-Verfahren nicht nachgewiesen werden können.
Thermogramm, aufgenommen mit einer Mittelwelleninfrarotkamera während eines Fertigungsprozesses eines Würfels aus nichtrostendem Stahl in einer Anlage zum Laserstrahlschmelzen
Quelle: BAM
Die BAM nutzt in diesem Projekt jahrzehntelange Erfahrungen in der forschungsbasierten und industrienahen Entwicklung von zerstörungsfreien und chemischen Analyseverfahren in industriellen Prozessen. Abteilungsübergreifend gibt es ein umfassendes Verständnis der prozessseitigen Einflüsse auf Schweißnahteigenschaften und zu Strategien der Vermeidung von prozessbedingten Rissen und anderen Inhomogenitäten.