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Dem Schmelzbad auf der Spur

Neueste Echtzeit-Tools überwachen metallischen 3D-Druck
Dem Schmelzbad auf der Spur

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Additive Fertigung | Ob Turbinenschaufel oder künstliches Hüftgelenk – nahezu alles lässt sich heute additiv fertigen. Entscheidend sind jedoch die Qualität und Belastbarkeit der Teile. Um Serienprozesse inline zu überwachen, haben die Anlagenbauer nun spezielle Tools entwickelt.

Edgar LangeFreier Fachjournalist in Düsseldorf

Aktive Qualitätssicherung zählt heute zu den wichtigsten Forderungen von Anwendern additiver Fertigung. Die Überwachung von Basis-Kenndaten einer Laserschmelzanlage wie Sauerstoffgehalt, Temperatur, Laserleistung und Pulverqualität zählt meist schon zu den Standards moderner 3D-Printer. Doch mögliche Fehlerquellen beim Laserschmelzen können darüber hinaus zum Beispiel in nicht optimalen Scan-Geschwindigkeiten liegen, die einen zu großen oder zu geringen Energieeintrag im Pulverbett auslösen. Letzterer führt zu nicht aufgeschmolzenem Pulver in Form von unregelmäßig geformten Poren. Ist der Energieeintrag hingegen zu hoch, können Gasinklusionen entstehen. Wegen der bisher eingeschränkten Möglichkeiten zur Qualitätssicherung konnte die additive Technik nur begrenzt für die Serienfertigung genutzt werden, meint Adrian Spierings, Leiter F&E SLM der Inspire AG, einem Schweizer Kompetenzzentrum für Technologietransfer.
Doch mit Insitu-Prozessüberwachung auf Basis von On-axis-Systemen ändert sich dies. Damit lassen sich Hinweise auf Defekte schon während des Bauteilaufbaus aus Metall-Pulverwerkstoffen erhalten. Zum Beispiel überwacht das „QMmeltpool“-System von Concept Laser, Innovator auf dem Gebiet der Laserschmelz-Technologie, auch den Schichtaufbau des Metallpulvers. Es detektiert dazu mit koaxialen Sensoren in Echtzeit die Schmelzbademissionen, die während des Aufschmelzens in Form von Strahlung im infraroten Bereich entstehen. Als Detektoren kommen eine Kamera und eine Photodiode zum Einsatz, die dieselbe Optik nutzen wie der Laser. Diese koaxiale Integration ermöglicht eine hohe 3D-Auflösung von 35 µm und aus den so gewonnenen Signalen lassen sich 3D-Datensätze des Bauteils generieren. Damit entsteht eine sehr genau visualisierte 3D-Landkarte des Bauteils.
„Auf diese Weise können nachgelagerte Testprozesse auf ein Minimum reduziert werden. Das hilft Zeit und Kosten zu sparen“, betont Frank Herzog, Chef von Concept Laser. Aus seiner Sicht lassen sich die Ergebnisse mit der Computer-Tomografie (CT) und ihrer HD-Auflösung vergleichen. Eine geringe Schmelzbadintensität kann zum Beispiel auf eine zu geringe Laserleistung oder eine zu hohe Scan-Geschwindigkeit, also einen zu geringen Energieeintrag, hinweisen.
Änderungen in der Fläche des Schmelzbades können außerdem Hinweise auf eine Variation des Sauerstoffgehaltes in der Prozesskammer geben. Der Anwender kann somit Prozessanomalien während der Fertigung lokalisieren und bewerten. „Wir können nun von einem geregelten, wiederholgenauen und prozesssicheren 3D-Herstellprozess sprechen“, so Herzog.
Airbus setzte QMmeltpool erstmals in der Aufbauphase eines dreidimensional gedruckten Kabinenhalters aus Titan ein. Dieser dient dazu, den Crew-Ruheraum an Bord des neuen Langstrecken-Flugzeugs A350 XWB zu befestigen. Prof. Claus Emmelmann, CEO des beteiligten Laser Zentrum Nord (LZN) und Leiter des Instituts für Laser- und Anlagensystemtechnik der TU Hamburg-Harburg unterstreicht: „Die QS-Software ermöglicht uns, wichtige Daten wie Laserparameter, Schmelzpool-Verhalten, sowie die Zusammensetzung der Schutzgasatmosphäre zu überwachen.“ Gemeinsam mit den Partnern Airbus und Concept Laser hat er das Verfahren zur Anwendungsreife geführt und in eine durchgängig digitale Prozesskette des additiven Fertigungsverfahrens integriert. Emmelmann sieht dies auch als Schritt in Richtung Industrie 4.0. Nicht zuletzt deshalb ging das erste Insitu-Echtzeit-Prozessüberwachungssystem der pulverbettbasierten additiven Fertigung als Siegerinnovation des International Additive Manufacturing Award (IAMA) hervor – einer Partnerschaft zwischen dem US-Industrieverband AMT (Association for Manufacturing Technology) und dem VDW.
Auch EOS erlaubt es, direkt in den Bauprozess der Additiven Fertigung zu schauen – der Industrieanzeiger berichtete darüber in Ausgabe 13. „Wir setzen mit dem Tool Eostate MeltPool auf die Vorverlagerung der Qualitätssicherung in den additiven Prozess, die sonst nachgeschaltet stattfindet“, sagt Lukas Fuchs, Application Development Consultant. Die automatisierte, intelligente Echtzeit-Prozessüberwachung für das „Direkte Metall-Laser-Sintern“ (DMLS) schafft die Voraussetzungen für eine vollständige Rückverfolgbarkeit der Teile und eine automatische Überwachung und Analyse des Schmelzbades während des Bauprozesses.
Das Funktionsprinzip des Online-Monitoring-Tools, das gemeinsam mit der Plasmo Industrietechnik GmbH entwickelt wurde, einem weltweit tätigen High-Tech-Anbieter automatisierter Qualitätssicherungssysteme: Beim Bauprozess schmilzt ein starker Laserstrahl das Pulver exakt an den Stellen auf, die die computergenerierten Konstruktionsdaten vorgeben. Dabei entsteht eine Schmelzbademission, die von sich aus leuchtet. Diese Lichtemissionen misst Eostate MeltPool mithilfe von Sensoren in Echtzeit. Die zugehörige Hardware zur Datenerfassung besteht aus zwei Fotodioden (eine entlang des Strahlengangs, die zweite für das Baufeld), einem Kameraadapter, einem speziellen Signalverstärker und entsprechenden Spektralfiltern, die das Prozesslicht vom reflektierten Laserlicht trennen. Damit gelingt es, potenzielle Fehlerquellen im Bauteil bis auf die einzelne Schichtebene und sogar bis zum jeweiligen Schmelzpunkt nachzuverfolgen. Eine 2D- oder 3D-Datenanalyse ermöglicht die Bewertung von Auffälligkeiten sowie den Vergleich mit zuvor definierten Schwellwerten.
Die QM-Tools sind ein Einstieg in künftig umfassende Prozessüberwachungssysteme
Der Blick in die Schmelzenergie gelingt auch der Lübecker SLM Solutions mit „Laser Power Monitoring“ (LPM). Hier werden die Laserleistung der Anlagen überwacht, Messdaten dokumentiert und archiviert. Eine sich einschleichende Leistungsabweichung wäre unmittelbar dokumentiert (etwa durch eine Beeinträchtigung der sensiblen optischen Komponenten oder durch Ausfall einer Laserdiode) – also eine Art Frühwarnsystem. Ganz neu ist bei SLM Solutions auch das nachrüstbare „Melt Pool Monitoring“ (MPM), das die thermische Rückstrahlung der Schmelzspur in Echtzeit erfasst. Die Daten erlauben ortsaufgelöste Rückschlüsse auf Unregelmäßigkeiten während des Aufschmelzens, die zu Bauteilfehlern führen können. Auch hier können die Temperaturmessdaten schichtweise und sogar für die einzelnen Scanvektoren visualisiert werden. Die Lübecker sehen diverse Optionen, die Technologien für eine umfassende Prozessüberwachung auszubauen.
Trumpf Laser ist mit „Laser Metal Fusion“ (LMF) und „Laser Metal Deposition“ (LMD) am Markt vertreten – aber nach mehrjähriger Pause erst vor kurzem wieder in den Markt für industriellen 3-D-Druck eingestiegen. Wohl aus diesem Grund hält sich der Werkzeugmaschinen-Spezialist mit Aussagen zu QS-Tools zurück. Doch auch für ihn wird gelten, was Pete Basiliere ausspricht, Research Director Imaging and Print Services beim Analystenhaus Gartner. Basiliere glaubt, dass Hersteller von 3D-Druckern künftig verstärkte Anstrengungen für Qualitätssicherungs-Tools an den Tag legen müssen, die in den Drucker integriert sind. Denn nur so könne ein Betreiber die Qualität der Bauteile sichern, schon während sie entstehen.
Auch Additiv Industries aus Eindhoven hat deswegen sein erstes industrielles 3D-Metall-Drucksystem für die industrielle Serienfertigung, das „MetalFab1“, mit einer Software-Plattform versehen, die neben Simulation und 3D-Druckmanagement zur Ressourcenplanung auch eine Inline-Prozess-Qualitätskontrolle beinhaltet. Und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) stellte kürzlich eine Weiterentwicklung seiner Prozessüberwachung für den Metall-Print vor: Das „Coaxial Process Control- and Monitoring System“ (CPC) überwacht den Schmelzprozess mit sehr hoher Empfindlichkeit.
Wie sehr die Verbreitung des 3D-Druckes von einer verlässlichen Prozess- und Qualitätskontrolle abhängt, leuchtet am schnellsten am Beispiel medizinischer Anwendungen ein. „In den letzten Jahren haben sich die verschiedenen Verfahren des industriellen 3D-Drucks für die Herstellung von Implantaten durchgesetzt“, berichtet Ralf Schumacher, Leiter Labor Medical Additive Manufacturing an der Fachhochschule Nordwestschweiz. „Jetzt werden zunehmend Themen wie Prozess- und Qualitätskontrolle diskutiert.“
Die Definition von Qualitätsstandards hält Stephan Kegelmann von Kegelmann Technik für essenziell, wenn die additive Fertigung weiter an Boden gewinnen soll. Sein Unternehmen hat Erfahrung und Expertise in der generativen Fertigung. Auch Hermann Behrens sieht das so, Abteilungsleiter beim Deutschen Institut für Normung e. V. (DIN), Berlin. Er ist überzeugt davon, dass funktionierende Qualitätsmanagement-Tools dafür sorgen werden, dass sich künftig Industriestandards für die additive Fertigung etablieren können.
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