PBLM-Prozessanalysen Prozessüberwachung mit High-Speed-Kameras: So lässt sich Laserschmelzen optimieren

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Aconity3D, Anbieter von additiven Fertigungslösungen, will die Stabilität von Metall-basierten PBLM-Prozessen optimieren und dadurch ihren Einsatz in unterschiedlichen Branchen fördern. Hochgeschwindigkeits-Industriekameras von SVS-Vistek bringen das Unternehmen diesem Ziel einer effizienten Prozessüberwachung einen Schritt näher.

Die additive Fertigung ist im Vergleich zu anderen Produktionstechnologien eine junge Disziplin, die viele neue Möglichkeiten eröffnet, in Teilbereichen jedoch noch nicht vollständig erforscht ist und deshalb auch diverse Herausforderungen bei gleichzeitig hohem Optimierungspotenzial aufweist.

Das gilt auch für das Pulverbett-basierte Laserschmelzen (Powder Bed Laser Melting, PBLM). Bei diesem Verfahren wird das zu verarbeitende Material in Form eines Pulverbetts mit Laserstrahlen schichtweise selektiv aufgeschmolzen, um so die gewünschten Werkstücke aus 3D-Modelldaten zu erzeugen. Beim anschließenden Erkalten härtet das Material aus und formt dabei die Bauteile.

Unter anderem in der Automobilindustrie, der Medizin und der Luft- und Raumfahrt etabliert sich diese Technologie zunehmend in der Serienproduktion. Hauptgründe dafür sind die flexiblen und im Vergleich zu vielen traditionellen Fertigungsmethoden deutlich erweiterten Design-Möglichkeiten der gefertigten Teile, eine ständig zunehmende Vielfalt bei der Materialauswahl sowie die sinkenden Produktionskosten.

Herausforderung Prozessstabilität

Eine zentrale Herausforderung des PBLM-Verfahrens für die allgemeine industrielle Umsetzung ist die Prozessstabilität. Bisher kann das gefertigte Teil erst am Ende des Prozesses auf Fehler geprüft werden. Weist es dann Mängel auf, sind diese in der Regel kaum noch zu beheben.

Aconity3D will daher die Stabilität von Metall-basierten PBLM-Prozessen optimieren, um diese Technologie weiter zu verbessern und so ihren Einsatz in unterschiedlichen Branchen zu fördern. „Die Prozessüberwachung in PBLM-Anlagen ist aktuell noch nicht ausgereift“, weiß Lutz Lübbert, Project Manager Machine Development bei Aconity3D. „Wir haben deshalb ein Verfahren entwickelt, das die Daten eines High-Speed-Bildverarbeitungssystems den Einfluss ausgewählter Prozessparameter auf produzierte Teile erfasst und Rückschlüsse über Parametereinflüsse ermöglicht.“

Als Bildverarbeitungssystem hat Aconity3D dafür die Mikrotron High-Speed-Kamera EoSens3.0MCX5 von SVS-Vistek und die zugehörige Peripherie gewählt. „Bei unseren ersten Marktrecherchen nach geeigneten Kameras mit der erforderlichen Geschwindigkeit und Genauigkeit vor rund sechs Jahren gab es keine vergleichbaren verfügbaren Kameras“, so Lübbert. „Die Entscheidung für die Mikrotron Eosens3.0MCX5 haben wir nie bereut, denn die damit entwickelte Methode funktioniert von Beginn an stabil und ermöglicht einen Einblick in die Korrelation von Sensordaten, den angewandten Prozessparametern und den daraus resultierenden Bauteileigenschaften.“

Prozessüberwachung: Mehr Einblick mit Bildverarbeitung

Die Bilddaten der Mikrotron Eosens3.0MCX5 ermöglichen Aconity3D zusätzliche Einblicke in den PBLM-Prozess, erläutert Lübbert: „Wir können damit beispielsweise Konturscans von Materialschichten über den Bauprozess hinweg vergleichen, das Verhalten des Schmelzbades in kritischen Bauteilbereichen beobachten und so Fehler wie abreißende Schmelzbäder oder inhomogene Oberflächen sicher identifizieren. Damit kann der Einfluss veränderter Laser-Parameter wie der Modulationsfrequenz und -länge auf die Größe des Schmelzbades erkannt werden, wenn alle übrigen Laser-Parameter konstant bleiben. Die auf diese Weise gewonnenen Daten lassen sich nutzen, um das Know-how über PBLM-Prozesse zu erweitern und zugrundeliegende Effekte zu isolieren.“ Solche Erkenntnisse bilden nach Lübberts Worten in Kombination mit weiteren Messmethoden die Grundlage für eine effizientere Materialforschung im Bereich des 3D-Metalldrucks.

Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden hat diese Inline-Inspektion das Potenzial, Produktionsfehler frühzeitig zu erkennen. Daraus resultieren weniger zerstörerische Materialprüfungen sowie niedrigere Herstellungskosten. Zudem stellt eine zuverlässige Prozessüberwachung mit einer schlüssigen Korrelation zwischen den Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften eine Voraussetzung für eine geschlossene Prozessführung dar, die bei konventionellen Laserschweißprozessen schon seit vielen Jahren eingesetzt wird. „Bei PBLM befindet sich die Prozessüberwachung oder gar die Prozessregelung hingegen noch in einem frühen technologischen Stadium. Unsere Entwicklungen tragen dazu bei, diesen Rückstand zu verkürzen“, so Lübbert.

Als Haupthindernis für die PBLM-Inline-Prozessüberwachung und -Regelung nennt er die instationäre Natur des Prozesses, der durch viele Phänomene wie unter anderem Schmelzbadturbulenzen, Schweißrauchbildung, Spatter oder sonstige Anomalien im Pulverbett bestimmt wird. Diese Phänomene erhöhen das Messrauschen und verringern die Genauigkeit der Informationen, die aus dem Schmelzpool gewonnen werden können.

Flexible Anpassung für die optimale Prozessüberwachung

Die Mikrotron Eosens3.0MCX5 ist für diese Anwendung optimal, erläutert Karl Laderer, Area Sales Manager DACH bei Mikrotron: „Die Region of Interest (ROI) des Sensors dieser High-Speed-Kamera kann in y- und x-Richtung skaliert werden. Dadurch lassen sich kleine ROIs mit hoher Bildrate realisieren, was Anwendern eine enorme Flexibilität an die Hand gibt, die Kamera exakt auf die vorliegenden Anforderungen anzupassen.“

Auch die Pixelgröße von 8 µm x 8 µm des 3 MP-Sensors sowie das lüfterlose Design für eine einfache Integration sind nach Laderers Worten wichtige Kamera-Eigenschaften, die bei der PBLM-Prozessüberwachung für zuverlässige Ergebnisse sorgen. Aus wirtschaftlichen Gründen entschied sich Aconity3D für ein Kameramodell mit CXP6-Schnittstelle, die günstiger ist als CXP12-Produkte dieser Serie und die anfallenden Datenströme dennoch problemlos bewältigt.

Optimistisch für die Zukunft

Das Inline Process Monitoring-Tool von Aconity3D ist für nahezu alle Systeme des Unternehmens verfügbar, vom Einsteigersystem Aconitymini bis hin zum aktuell größten System Aconitytwo mit optionalem Multi-Laser-Setup. Zielgruppe dieser Anlagen sind laut Lübbert Forschungseinrichtungen im In- und Ausland sowie die Forschungsabteilungen großer Unternehmen, die sich mit PBLM-Prozessen befassen.

„Die Prozessüberwachung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssystemen ist aus unserer Sicht ein wirksames Instrument, um mehr über PBLM-Mechanismen zu erfahren und die Qualität von Teilen bereits während der Produktion zu verbessern. Wir wollen die Entwicklung von Algorithmen vorantreiben, mit denen sich über­mäßige Schmelzbadgrößen schnell und sicher identifizieren lassen, um sofortige Gegenmaßnahmen einzuleiten. Aufgrund unserer guten Erfahrungen mit den Produkten und dem Support unseres Bildverarbeitungspartners sehe ich die High-Speed-Kameras von ­SVS-Vistek auch für unsere künftigen Systeme als wesentliche Komponenten an.“

Der Autor Peter Stiefenhöfer ist freier Journalist.