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Das Schmelzebad im Detail

Additive Fertigung: Erstmals Werkzeuge für die Inline-Prozessüberwachung
Das Schmelzebad im Detail

Ein Beispiel für die Inline-Qualitätssicherung in der additiven Fertigung: Eostate Meltpool überwacht und analysiert das Schmelzbad während des Lasersinter-Bauprozesses (Bild: EOS)
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Bislang gab es für Maschinen für die additive Fertigung keine Werkzeuge für die Inline-Qualitätssicherung. Doch nun haben die drei Maschinenbauer Concept Laser, EOS und SLM Solutions parallel entsprechende Lösungen ins Programm aufgenommen, mit denen sich das Schmelzebad bei ihren Maschinen überwachen lässt.

Mit dem neuen Inline-Prozessüberwachungssystem QM Meltpool 3D von Concept Laser erhalten Anwender bei den Anlagen M1 Cusing und M2 Cusing Hinweise auf Defekte während des Bauteilaufbaus. Das Tool liefert in Echtzeit qualitätsrelevante dreidimensionale Daten zur Prozessüberwachung und -dokumentation. Es erfasst positionsbezogene Charakteristika des Schmelzbads während der Entstehung des Bauteils. Diese Daten können in einer dreidimensionalen Landkarte visualisiert und vom Anwender analysiert werden. Das Tool ist laut Concept Laser mit der HD-Auflösung der Computer-Tomographie (CT) vergleichbar.

Das System detektiert mit koaxialen Sensoren Schmelzbademissionen, welche während des Aufschmelzvorgangs in Form von Strahlung im infraroten Bereich entstehen. Der koaxiale Aufbau ermöglicht die Beschränkung auf eine kleine „Region of Interest“ mit einer hohen lokalen Auflösung bei großen Abtastraten (je nach Detektortyp bis zu 50 kHz). Diese Schmelzbadüberwachung ermittelt zwei Kenngrößen: Die Schmelzbadfläche und die -intensität. Diese Kenngrößen können entsprechenden Prozessfehlern zugeordnet werden. Zum Beispiel kann eine geringe Schmelzbadintensität auf eine zu geringe Laserleistung oder eine zu hohe Scan-Geschwindigkeit, das heißt einen zu geringen Energieeintrag, hinweisen. Änderungen in der Fläche des Schmelzbads können außerdem ein Hinweis auf eine Variation des Sauerstoffgehaltes in der Prozesskammer sein.
Statt ausschließlich zeitbezogener Daten liefert das System nun – der CT vergleichbar – zusätzlich positionsbezogene Signale zur eindeutigen Zuordnung. Diese Signale ermöglichen das Generieren von 3D-Datensätzen des Bauteils beziehungsweise dessen Aufbaus. Damit entsteht eine sehr genaue 3D-Landkarte des Bauteils. Im Detail bedeutet die, dass charakteristische Eigenschaften des Schmelzbads ermittelt werden. Dazu zählen die Fläche und Intensität des Schmelzbades, welche mittels zweier Detektoren, nämlich Kamera und Photodiode, mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung untersucht werden können. Im Anschluss werden diese Signale mit den entsprechenden Positionsdaten des Lasers korreliert.
Schmelzbadsignale wie Schmelzbadfläche und -intensität können so direkt nach dem Abschluss des Bauprozesses dreidimensional visualisiert und ausgewertet werden. Der Anwender kann den Entstehungsprozess jedes Bauteils positionsbezogen nachvollziehen. Lokale Effekte beim Bauteilaufbau kann er nun besser erkennen und analysieren.
Sensoren erfassen Lichtemissionen des Schmelzebads
Eine ähnliche Lösung für die Überwachung des Fertigungsprozesses hat EOS vor wenigen Monaten mit Eostate Meltpool vorgestellt. Dieses überwacht und analysiert das Schmelzbad während des Lasersinter-Bauprozesses – und zwar pro Schmelzpunkt, pro Schicht und pro Bauteil. Es misst die Lichtemissionen des Schmelzbads mit Hilfe von Sensoren. Die zugehörige Hardware zur Datenerfassung besteht aus zwei Fotodioden – eine entlang des Strahlengangs, die zweite für das gesamte Baufeld–, einem Kameraadapter, einem speziellen Signalverstärker und entsprechenden Spektralfiltern, die das Prozesslicht vom reflektierten Laserlicht trennen. Für die Datenanalyse stellt die Eostate Meltpool Analysis Toolbox Daten in 2D- oder 3D-Abbildungen dar und ermöglicht es, Auffälligkeiten zu bewerten. Das Tool arbeitet auf Grundlage dreier hochentwickelter Algorithmen, die verschiedene Dateninterpretationen zulassen. Auf Basis der gesammelten Daten können Rückschlüsse auf die entsprechende Qualität im finalen Bauteil abgeleitet werden. Dafür definieren Kunden über die Eostate Meltpool Analysis Toolbox entsprechende Parameter für die Überwachung des Schmelzbads.
Und auch SLM Solutions hat im Februar für seine Laserschmelzsysteme eine Inline-QS-Lösung angekündigt: Melt Pool Monitoring (MPM), so der Name, erlaube eine weitgehende Dokumentation des Bauprozesses zur Qualitätssicherung. Das System erfasst die thermische Rückstrahlung von der Schmelzspur. Die aufgezeichneten Daten erlauben Rückschlüsse auf Unregelmäßigkeiten während des Aufschmelzens, die zu Fehlern in den Bauteilen führen können. Das System unterstützt außerdem ein effizientes Weiterentwickeln und Auswerten von Prozessparametern.
Sabine Koll Journalistin in Böblingen
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