Teile aus additiver Fertigung erobern den Luftraum: Flugzeugbauer Airbus will den Einsatz von Ersatzteilen aus dem 3D-Drucker prüfen.
Bild: Airbus

Teile aus additiver Fertigung erobern den Luftraum: Flugzeugbauer Airbus will den Einsatz von Ersatzteilen aus dem 3D-Drucker prüfen. Bild: Airbus

Der nächste Qualitätslevel mit QMmeltpool 3D wird ab 2016 für die Anlagen M1 cusing und M2 cusing zur Verfügung stehen

Die In-situ-Prozessüberwachung zählt zu den strategischen Technologiefeldern von Concept Laser, welche der Anlagenbauer nun um das QMmeltpool 3D zur dreidimensionalen Echtzeitüberwachung erweitert. Das LaserCusing-Verfahren ist aufgrund hoher Scan-Geschwindigkeiten und hoher Laserleistungen ein sehr dynamischer Prozess, der durch verschiedenste Prozessfaktoren beeinflusst wird. In Branchen wie der Medizintechnik, Automotive oder auch der Luft- und Raumfahrt gelten strikte Sicherheits- und hohe Qualitätsanforderungen. QMmeltpool 3D liefert in Echtzeit qualitätsrelevante Daten zur Prozessüberwachung und -dokumentation. Das System erfasst positionsbezogene Charakteristika des Schmelzbades während der Entstehung des Bauteils. Diese Daten können in einer dreidimensionalen Landkarte visualisiert und vom Anwender analysiert werden. Nach Auskunft des Herstellers ist das Analyse-Tool mit der HD-Auflösung der Computer-Tomographie (CT) vergleichbar.

Statt ausschließlich zeitbezogener Daten liefert QMmeltpool 3D zusätzlich positionsbezogene Signale zur eindeutigen Zuordnung. Die Signale sollen die Generierung von 3D-Datensätzen des

Concept Laser In-situ-Überwachung

In-situ-Überwachung des Schmelzbades mit QMmeltpool 3D: Eine Photodiode und eine Kamera überwachen koaxial durch die Optik des Lasers positionsgenau das Schmelzbad hinsichtlich Fläche und Intensität.

Bauteils und dessen Aufbaus ermöglichen. So entsteht laut Hersteller eine genaue 3D-Landkarte des Bauteils. Im Detail bedeutet dies die Ermittlung charakteristischer Eigenschaften des Schmelzbades. Dazu zählt die Fläche und Intensität des Schmelzbades, welche mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung untersucht werden kann. Im Anschluss werden die Signale mit den Positionsdaten des Lasers korreliert.

Dreidimensional visualisieren und auswerten

Dieser Abgleich ist der eigentliche Clou von QMmeltpool 3D: Schmelzbadsignale, wie Schmelzbadfläche und Schmelzbadintensität, 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.

Der neue Ansatz basiert auf einer Erweiterung der 2D-Inspektion in den 3D-Raum mit einer koordinatenbezogenen Datenerfassung der Schmelzbadwerte. Klassische Off-axis-Inspektionen weisen eine geringere Auflösung und eine niedrigere Erfassungsrate auf. Zum Einsatz kommt etwa eine infrarotsensitive Kamera, die außerhalb der Prozesskammer – also ex situ – positioniert ist. Vorteil dieser Ex-situ-Lösung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Kamerasystem. Ein Off-axis-Aufbau ermöglicht Aussagen über das gesamtheitliche Aufschmelz- und Abkühlverhalten. Eine detaillierte Aussage über das Schmelzbad ist damit jedoch nicht ableitbar.

Trends µ-genau

Aus QMmeltpool wird QMmeltpool 3D

Der praktische Mehrwert der dreidimensionalen Visualisierung mit QMmeltpool 3D ist ein originäres Mittel zur aktiven Qualitätssicherung. In Fertigung und Prozessentwicklung können Bauteiljobs durch iterative Variation der Parameter optimiert werden. Es können Supportstrukturen angepasst und vor allem die vorgelagerte Bauteilkonstruktion fertigungsgerechter ausgelegt werden. Nicht zuletzt bieten sich neue Möglichkeiten in der Materialforschung und der Validierung von Werkstoffen. Im Jahr 2016 soll das Qualitätsmodul für die Anlagen M1 cusing und M2 cusing zur Verfügung stehen.

Detaillierte Analyse der Schmelzbademissionen

Concept Laser Ex-situ-Überwachung

Konventionelle Ex-situ-Überwachung mittels Kamera.

Der On-axis-/In-situ-Aufbau beruht auf einer koaxialen Anordnung der Detektoren. Als Detektoren kommen eine Kamera und eine Photodiode zum Einsatz, die dieselbe Optik nutzen wie der Laser. Diese koaxiale Integration ermöglicht eine hohe koordinatenbezogene 3D-Auflösung von 35 µm. Die Erkennungsrate ergibt sich aus der Scan-Geschwindigkeit. Liegt diese bei 1000 mm/s, so ergibt sich 100 µm, also die Distanz, für die je eine Aufnahme erzeugt wird. Bei 2000 mm/s liegt der Wert bei 200 µm. Die Abtastrate der Kamera gibt Concept Laser mit > 10 kHz und 50 kHz für die Photodiode an. Die koaxiale Anordnung hat den Vorteil, dass die Schmelzbademissionen stets auf einen Punkt der Detektoren fokussiert werden und der Bildausschnitt verkleinert und somit auch die Abtastrate erhöht werden kann. Eine detaillierte Analyse der Schmelzbadcharakteristika ist so laut Concept Laser möglich.

Defekte, die beim Laserschmelzen entstehen, sind auf verschiedenste Einflussfaktoren zurückzuführen: Etwa Scan-Geschwindigkeit oder Laserleistung. Prozessfehler können etwa aufgrund zu

Concept Laser In-situ-Überwachung Grafik

Aus QMmeltpool wird QMmeltpool 3D. Positionsbezogene Analyse des Entstehungsprozesses jedes Bauteils – lokale Effekte werden beim Bauteilaufbau erkannt.

geringer oder zu großer Scan-Geschwindigkeiten entstehen, die einen zu großen oder zu geringen Energieeintrag auslösen. Ein zu geringer Energieeintrag im Pulverbett führt zum Beispiel zu nicht aufgeschmolzenem Pulver in Form von unregelmäßig geformten Poren.

Gefahr von Gasinklusionen bei zu viel Energie

Ist der Energieeintrag zu hoch, können Gasinklusionen entstehen, die regelmäßig runde geformte Poren in Schliffbildern aufweisen. Auch der Prozessgasstrom, der Werkstoff und viele weitere Faktoren können Einfluss auf Prozess und Bauteilgüte nehmen. In-situ-Überwachungssysteme können dank hoher Auflösung und Abtast­raten (je nach Scanfeschwindigkeit alle 0,1 mm) Prozesscharakteristika in Echtzeit detektierten. In-situ-Überwachungssysteme liefern deshalb einen wichtigen Beitrag, um Prozessfehler frühzeitig zu erkennen und zukünftig zu vermeiden. Damit wird es für den Anwender zu einem Werkzeug zur Optimierung des Prozesses.

Airbus Mammut Bracket

Effekte durch Variation der Laserleistung am Beispiel des Kabinenhalter „Bracket“ des Airbus A350 XWB der Airbus Operations GmbH: Der Defekt ist optisch nicht erkennbar, wird aber durch die Prozessdaten von QMmeltpool 3D erschlossen (rechts das Bauteil mit geringer Laserleistung, links das Bauteil mit Standard-Leistung)
Bilder: Concept Laser GmbH

Den QS-Aufwand minimieren und Zeitvorteile nutzen sind laut Hersteller die Effekte von QMmeltpool 3D. Das System kann lokale Hinweise auf fehlerhafte Stellen im Bauteil liefern. Nachgelagerte Prüfungen und Tests könnten minimiert werden. Zudem stehen die Daten unmittelbar nach dem Bauprozess zur Verfügung, so dass sich auch zeitliche Einsparungen ergeben. Eine Fehler­behebung im Bauprozess ist durch QMmeltpool 3D nicht möglich. Aufgrund der Vielzahl der Einflussfaktoren, die Fehler im Bauprozess und am Bauteil bedingen können, und der hohen Dynamik des Prozesses ist die Entwicklung eines selbstkorrigierenden Regelkreises eine große Herausforderung.

Kontakt: Concept Laser GmbH, www.concept-laser.de