Prozessintegrierte Messtechnik für das Laserstrahlschmelzen

Der LBM-Prozess

Die generative Fertigung ermöglicht Anwendern eine hohe Funktionsintegration und individualisierte Produkte sowie eine wirtschaftliche Produktion in Kleinserie. Dadurch erlangen additive Fertigungsverfahren zunehmende industrielle Bedeutung. Das Laser-Strahlschmelzen (LBM) ist hierbei hervorzuheben, da es im Bereich des Prototypenbaus bereits ein etabliertes Verfahren ist, das an der Schwelle zum Einsatz in der Groß- und Kleinserienproduktion steht. Beim LBM-Verfahren handelt es sich um ein pulverbettbasiertes Verfahren, bei dem Schicht für Schicht Pulver durch einen Laser stellenweise aufgeschmolzen wird und so ein fester Materialverbund entsteht.

Die Herausforderung

Bei der Entwicklung zur Serienfertigung dieses Verfahrens tritt vor allem die niedrige Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu etablierten Fertigungsverfahren bei größeren Stückzahlen als Hemmnis in den Vordergrund. Ein Grund für die niedrige Wirtschaftlichkeit ist die unzureichende Prozessfähigkeit des LBM Prozesses. Entstehen im Prozess Materialfehler, führen diese zu einer undefinierten Verringerung des Ermüdungswiderstandes und einer verkürzten Lebensdauer der Bauteile [1]. Damit können Bauteile nur mit einer entsprechend aufwendigen nachgelagerten Qualitätssicherung für den Einsatz an hochbelasteten und sicherheitsrelevanten Stellen qualifiziert werden.

Die Lösung

Um die kostenintensive nachgelagerte Qualitätssicherung und die anfallende Wertschöpfung von Ausschuss zu vermeiden sowie die Haltbarkeit der additiv gefertigten Teile zu gewährleisten, ist ein geeignetes Verfahren zur Prozessüberwachung vorteilhaft, das in den Aufbauprozess des LBM-Verfahrens integriert ist. Als etablierte Verfahren zur Prozessüberwachung im LBM-Verfahren bestehen die Überwachung des Schmelzbads und der Oberfläche. Diese können jedoch nur bedingt eine Aussage über die innere Struktur des Bauteils geben. Um die Überwachung des Bauteilvolumens zu ermöglichen, können Röntgenstrahlung oder akustische Verfahren eingesetzt werden [2]. Bei den akustischen Wellen eigenen sich insbesondere der Frequenzbereich der Ultraschallwellen, die durch ihre kürzere Wellenlängen auch kleinere Defekte auflösen können.

Das Prüfen mit akustischen Wellen bzw. im Speziellen mit Ultraschallwellen bietet sich für die Prozessüberwachung aus verschiedenen Gründen besonders an.  Im Vergleich zu röntgenographischen Verfahren ist eine Integration des Messsystems durch die geringere Komplexität der Sensorik mit geringerem Aufwand und geringeren Kosten, sowie sehr kurzen Messzeiten, verbunden. Bislang wurden nur einige wenige Forschungsarbeiten zum Einsatz akustischer Verfahren im LBM-Prozess durchgeführt ([3],[4]). Bei der Integration akustischer Messprinzipien in den LBM-Prozess und einer aussagekräftigen Auswertung der Messdaten bestehen jedoch noch einige Herausforderungen. Diese sowie mögliche Integrationsansätze werden an dem hier vorgestellten Versuchsstand untersucht.

Der Versuchsstand

Grundvoraussetzung für die praxistaugliche Umsetzung akustischer Prozessüberwachung ist das Erlernen der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Bauteileigenschaften, Defekten und dem daraus resultierenden Prozesssignalen. Zu diesem Zweck wird derzeit im Rahmen des BMBF geförderten Projektes KitkAdd am wbk Institut für Produktionstechnik (KIT) dieser Prüfstand zu weiterführenden Untersuchungen aufgebaut. Mithilfe von statistischer Versuchsplanung (DoE) werden die relevanten Prozessparameterarameter (Belichtungsparemeter, Pulvereigenschaften, …) variiert, Defekte gezielt erzeugt und anschließend die Auswirkungen auf die empfangenen und aufgezeichneten Signale beurteilt. Dabei werden zur Referenzierung etablierte Messtechniken (Computertomographie, Schliffbildauswertung, taktile Verfahren) angewendet.   Ziel der Forschungen soll es sein, basierend auf der Datenauswertung der Prozesssignale sowie Mustererkennung, Wirkungszusammenhänge zwischen aufgezeichneten Signalen und vorliegender Bauteilqualität zu ermitteln und daraus mögliche Prozessregelstrategien abzuleiten.

[1] Yadollahi, A. & Shamsaei, N. (2017), „Additive manufacturing of fatigue resistant materials: Challenges and opportunities“, in: International Journal of Fatigue, Bd. 98, S. 14–31.

[2] Everton, S. K., Hirsch, M., Stravroulakis, P., Leach, R. K. & Clare, A. T. (2016), „Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing“, in: Materials & Design, Bd. 95, S. 431–445.

[3] Rieder, H., Spies, M. & Bamberg, M. (2015), „Innovative Ultraschallprüfung komplexer Bauteile – vom Guss bis zur additiven Fertigung“

[4] Gold, S. A., Spears T. G.; General Electric Company, Acoustic Monitoring Method for Additive Manufacturing Processes, US 2017/0146488 A1, 2017 May 25.

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Niclas Eschner

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