Qualitätsprüfung für das Pulverbett im selektiven Laserschmelzprozess

Dieses Buch soll darüber Aufschluss geben, wie die Qualität des Pulverbetts erfasst und ausgewertet werden kann und wie dies Rückschlüsse auf die Prozessfähigkeit im Pulverschichtauftrag und die resultierende Fertigungsqualität im Herstellungsprozess erlaubt. Innerhalb der dafür durchgeführten Forschungsarbeit wurde ein Streifenlichtprojektionssystem für die 3D-topographische Erfassung des Pulverbetts und ein Prüfstand für die hersteller- und anlagenunabhängige Abbildung der gängigen Schichtauftragsprozesse im selektiven Laserschmelzen entwickelt. Mithilfe eines mehrstufigen methodischen Ansatzes zur Verarbeitung und Analyse der hochauflösenden Bilddaten des Pulverbetts konnten die vielfältigen charakteristischen Eigenschaften der Pulverbettoberfläche anhand von verschiedenen Fehlerbildern im Schichtauftrag identifiziert, klassifiziert und bewertet werden. Auf Grundlage dieser Pulverbettanalytik wurde ex-situ auf dem Prüfstand eine vollfaktorielle Untersuchung der prioritären Prozessparameter im Pulverschichtauftragsprozess (Auftragsprinzip, Auftragselement, Auftragsgeschwindigkeit, Pulverschichtdicke) durchgeführt, um die Auswirkungen der unterschiedlichen Stellgrößen wissenschaftlich zu untersuchen. Anhand der Ergebnisse der Analyse wurde ein Parameterfenster identifiziert, welches eine höhere Prozessfähigkeit und damit letztlich eine gesteigerte Produktivität im Prozess bewirken kann. Die identifizierten Parameterfenster wurden im Anschluss durch In-situ-Versuche vollfaktoriell untersucht und die Ergebnisse durch nachgelagerte Prüfungen der gefertigten Probekörper validiert. Der ganzheitliche Ansatz der entwickelten Messtechnik zur Pulverbettüberwachung und die automatisierte Auswertung der Messdaten wurden abschließend auf die Übertragbarkeit in den industriellen Maßstab im Rahmen einer Potenzialanalyse betrachtet und bewertet. Es konnte für die Nutzer und Hersteller von Anlagentechnik des selektiven Laserschmelzens von Metallen nachgewiesen werden, dass die Prozessfähigkeit des Pulverschichtauftrags in unterschiedlichem Maße in Abhängigkeit der prioritären Stellgrößen im Auftragsprozess steht und gewissen Trends folgt, die in vorteilhafter Weise für die Ausgestaltung des Prozesses genutzt werden können. Hierfür wurden im Rahmen der Untersuchungen für die Aluminiumlegierung AlSi10Mg mehrere Prozessparameterkombinationen für eine erhöhte Produktivität und einen stabilen Prozess validiert. Zudem wurde als Ergebnis der Potenzialanalyse die Eignung der Streifenlichtprojektion als Messtechnik für die Pulverbetterfassung und prozessbegleitende Überwachung im industriellen Maßstab aller heutigen Anlagengrößenklassen von PBF-LB/M-Anlagentechnik demonstriert.

Autorentext
Im Anschluss an das Studium der Allgemeinen Ingenieurswissenschaften und der Mechatronik der TU Hamburg arbeitete der Autor als wissenschaftlicher Mitarbeiter für die Laser Zentrum Nord GmbH, die 2018 im Rahmen einer Übernahme durch die Fraunhofer-Gesellschaft in die heutige Fraunhofer-Einrichtung für additive Produktionstechnologien umfirmiert wurde. Seine berufliche Tätigkeit und sein darüber hinausgehende Interesse zur angewandten Forschung fokussierte der Autor auf die technologische Weiterentwicklung und Industrialisierung des selektiven Laserschmelzens von Metallen im Pulverbett. Insbesondere die eigenen Ideen und Entwicklungen von innovativen und adaptiven Anlagenkonzepten und prozessbegleitender Qualitätssicherung zur Aufrechterhaltung der Prozessfähigkeit begründeten schließlich die Ausarbeitung dieses Werkes.

Klappentext
Dieses Buch zeigt, wie die Qualität des Pulverbetts erfasst und ausgewertet werden kann und wie dies Rückschlüsse auf die Prozessfähigkeit im Pulverschichtauftrag und die resultierende Fertigungsqualität erlaubt. Im Rahmen der Forschungsarbeit wurden ein Streifenlichtprojektionssystem zur 3D-topographischen Erfassung des Pulverbetts sowie ein Prüfstand für die hersteller- und anlagenunabhängige Abbildung gängiger Schichtauftragsprozesse im selektiven Laserschmelzen entwickelt. Mithilfe eines mehrstufigen methodischen Ansatzes zur Verarbeitung und Analyse hochauflösender Bilddaten konnten charakteristische Eigenschaften der Pulverbettoberfläche anhand verschiedener Fehlerbilder identifiziert, klassifiziert und bewertet werden. Darauf aufbauend erfolgte ex-situ eine vollfaktorielle Untersuchung der prioritären Prozessparameter (Auftragsprinzip, Auftragselement, Geschwindigkeit, Schichtdicke), um deren Einfluss wissenschaftlich zu analysieren. Die Ergebnisse führten zur Identifikation eines Parameterfensters für höhere Prozessfähigkeit und gesteigerte Produktivität. Dieses wurde in In-situ-Versuchen überprüft und durch Prüfungen der gefertigten Probekörper validiert. Abschließend wurde die Übertragbarkeit der Messtechnik und automatisierten Auswertung in den industriellen Maßstab im Rahmen einer Potenzialanalyse bewertet. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Prozessfähigkeit des Pulverschichtauftrags in Abhängigkeit der Stellgrößen variiert und Trends folgt, die für die Prozessgestaltung genutzt werden können. Für die Aluminiumlegierung AlSi10Mg wurden mehrere Parameterkombinationen für erhöhte Produktivität und Stabilität validiert. Zudem wurde die Eignung der Streifenlichtprojektion als Messtechnik für die Pulverbetterfassung und prozessbegleitende Überwachung aller heutigen Anlagengrößenklassen demonstriert. Der Autor Dennis Jutkuhn studierte Allgemeine Ingenieurswissenschaften und Mechatronik an der TU Hamburg und arbeitete als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Laser Zentrum Nord, heute Fraunhofer-Einrichtung für additive Produktionstechnologien. Sein Fokus liegt auf der technologischen Weiterentwicklung und Industrialisierung des selektiven Laserschmelzens sowie auf innovativen Anlagenkonzepten und prozessbegleitender Qualitätssicherung Grundlage für dieses Werk.

Inhalt

Einleitung und Motivation.- Ausgangslage und Problemstellung.- Zielsetzung und Vorgehensweise.- Aufbau der Arbeit.- Stand der Wissenschaft und Technik.- Additive Fertigung.- Selektives Laserschmelzen.- Prozessablauf und Funktionsprinzip.- Anlagenarchitektur und wesentliche Prozessstellgrößen.- Pulverbettcharakteristik.- Pulvercharakteristik.- Wirkprinzipien im Pulverschichtauftrag.- Fehlerbilder im PBF-LB/M-Verfahren.- In-situ-Prozessüberwachung.- Messtechnik und -prinzipien.- Topographische Pulverbetterfassung in 3D.- Forschungsbedarf und methodische Herangehensweise.- Messsystemaufbau für die Qualitätsprüfung des Pulverbetts.- Analyse der Pulverbettqualität und Schichtauftragsfehler.- Untersuchung der prioritären Prozessparameter im Pulverschichtauftrag.- Betrachtung der Systemlösung im industriellen Maßstab.- Streifenlichtprojektion für die Qualitätsprüfung des Pulverbetts.- Streifenlichtprojektionssystem SL3D.- Messaufbau und Spezifikationen.- Kalibrierung und Genauigkeitsanalyse.- Bilddatenverarbeitung.- Automatisierte Bewertung der Pulverbettqualität.- Metrik zur Bestimmung der Pulverbettqualität.- Einstufung von Schichtauftragsfehlern.- Ermittlung der Prozessfähigkeit.- Software für die Qualitätsprüfung.- Pulverbettprüfstand.- Konstruktive Umsetzung.- Kalibrierung und Genauigkeitsanalyse.- PBF-LB/M-Forschungsanlage AconityLAB.- Pulvermaterial AlSi10Mg.- Versuchsplanung.- Ex-situ-Versuche auf dem Pulverbettprüfstand.- In-situ-Versuche auf der PBF-LB/M-Anlage-. Analyse der Pulverbettqualität.- Ex-situ: Einfluss von Prozessparametern auf die Pulverbettqualität.- Bewertung der Prozessfähigkeit und Defektanfälligkeit.- In-situ: Einfluss von Prozessparametern auf die Pulverbettqualität.- In-situ: Einfluss der Positionierung der Probekörper.- Produktivitätssteigerung durch beschleunigten Pulverschichtauftrag.- Potenzialanalyse für die industrielle Anwendung.- Systemanforderungen-. Skalierbarkeit der Systemlösung.- Varianten nach Anlagengrößenklasse.- Komponentenauswahl der Systemvarianten.- Variantenübersicht mit Einschätzung der Hardware-Kosten.- Prozessi…