Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hochpräzises, dimensionelles Erfassen des schichtweisen Lagenaufbaus beim LBM-Verfahren mit einem neuen Prüfkonzept

Die pulverbettbasierte, additive Fertigung des Laser-Strahlschmelzens (LBM) hat ihren Platz in der industriellen Produktionstechnik gefunden und die Zahl der Anwender steigt stetig. Die Bauprozesse dauern in der Regel mehrere Stunden, so dass eine Überwachung der Produktion unabdingbar ist. Monitoring-Systeme sind oftmals angedacht aber nicht serienreif, prozesssicher und anwenderorientiert umgesetzt. Hier herrscht gerade für KMUs ein hoher Bedarf an einer einfachen, zielgerichteten Implementierung. Das Laser-Strahlschmelzen benötigt qualifizierte Systeme, mit denen eine belastbare Beurteilung der Bauteilqualität möglich ist. Das Forschungsziel ist die Bereitstellung eines hochpräzisen Prüfverfahrens für das selektive Laser-Strahlschmelzen von metallischen Bauteilen durch dimensionelles Messen mittels strukturierter Beleuchtung. Mit einer Streifenprojektionstechnik soll die Gestalterfassung in (x,y,z)-Koordinaten jeder Lage sowohl für den Pulverauftrag als auch für das Ergebnis des Schweißvorgangs im Mikrometerbereich erfolgen. Mit der Schaffung von Basiswissen für KMUs hinsichtlich der Korrelation der Messdaten zur Qualität von Pulververteilung und Konsolidierung (innerer und äußerer Bauteilzustand), bildet das Projekt die Grundlage für die industrielle, zerstörungsfreie in-line Zustandsprüfung der LBM-Methode an Metallen. Dadurch wird es zukünftig für KMUs möglich sein, anhand der Messergebnisse die Entscheidung treffen zu können, wie der Prozess gesteuert werden muss, damit es nicht zu einer Fehlerausbildung kommt und somit kein Ausschuss produziert wird. Hierzu wird die Systemtechnik der Streifenprojektion in eine LBM-Anlage implementiert und eine umfangreiche experimentelle Untersuchung zu Charakterisierung der Messmethode für Anwender durchgeführt.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde ein Streifenprojektionsmesssystem für den Einsatz in der Prozesskammer einer PBF-LB-Anlage entwickelt. Im Fall des Projektors zur Beleuchtung der Bauebene mit Streifenmustern konnte ein existierendes Beobachtungsfenster in der Decke der Prozesskammer genutzt werden, sodass dieser außerhalb platziert werden konnte. Das Stereo-Kamerasystem wurde im Inneren der Prozesskammer installiert. Untersuchungen zur Messgenauigkeit haben gezeigt, dass Höhenunterschiede deutlich unterhalb von 10 μm erfasst werden können. Ausgehend von der Anzahl der Sensorpixel und der Messfeldgröße ergibt sich in der Bauebene ein mittlerer Abstand von ca. 46 μm zwischen benachbarten Messpunkten.

Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz mittels Streifenprojektion die Oberflächen von Pulverbett und konsolidierten Bereichen flächenhaft zu messen hat sich als geeignet erwiesen fehlerhafte Prozesse zu identifizieren. So lassen sich im Prozess die Maßhaltig der entstehenden Bauteile prüfen und Verzug und Kantenüberhöhungen erkennen. Aber auch Eigenschaften der erzeugten Oberflächen lassen sich bewerten. Weiterhin kann beim Auftreten signifikanter Prozessfehler auch eine Korrelation zur ungenügenden inneren Bauteilqualität hergestellt werden. Der Einsatz von Streifenprojektion zum Erfassen von Oberflächen in der Prozesskammer kann auch genutzt werden um die Voraussetzungen, unter denen ein Fertigungsprozess begonnen wird, zu kontrollieren. Die Messung des Pulverbetts ermöglicht es außerdem, die Qualität des Beschichters zu beurteilen.

KMU, die in kleinen Serien oder sogar Einzelstücke fertigen, können mit der entwickelten Lösungen in-line die Qualität sichern, fehlerhafte Prozesse frühzeitig erkennen und somit Zeit, Ressourcen und Kosten sparen. Außerdem ermöglicht die Lösung die Erfassung jeder Lage zur Dokumentation. Mögliche Hersteller von Streifenprojektionssystemen, welche auch KMU sein können, können durch eine Adaption der Technik die Möglichkeit eines Wettbewerbsvorteils erhalten.