Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M) ist eine Schlüsseltechnologie der additiven Fertigung, die es ermöglicht, hochkomplexe und leistungsfähige Metallbauteile mit maßgeschneiderten Material- und Funktionseigenschaften herzustellen. Diese Technologie findet Anwendung in zahlreichen Branchen – von der Luft- und Raumfahrt über die Medizintechnik bis hin zur Automobilindustrie – und gilt als wegweisend für die Fertigung der Zukunft. Fortschritte in der Prozessüberwachung und -regelung sind entscheidend, um die Qualität, Reproduzierbarkeit und Effizienz dieses Fertigungsverfahrens weiter zu steigern.
Eine zentrale Herausforderung besteht in der präzisen Analyse des schichtweisen Laser-Schmelzprozesses, da dieser maßgeblich die Bauteilqualität bestimmt. Im Rahmen der Forschung zur Erhöhung der Prozessstabilität und -effizienz führen Studierende und wissenschaftliche Mitarbeitende des LaserApplikationsZentrums (LAZ) der Hochschule Aalen eine globale, dynamische Beobachtung des PBF-LB/M-Prozesses durch. Dabei werden im Kontext einer Hochgeschwindigkeitsprozessregelung mit Temperaturrückführung Phänomene wie Spritzer- und Schmauchbildung, das Erstarrungsverhalten sowie die sichere Bewegung mechanischer Komponenten während der additiven Fertigung untersucht. Ergänzend hierzu erfolgt eine hochaufgelöste, statische Analyse der umgeschmolzenen Bauteilschichtgeometrien sowie eine präzise Detektion potenzieller Fehler in den Pulverschichten, um fundierte Rückschlüsse auf die resultierende Bauteilqualität ziehen zu können. Bildgebende Komponenten des Forschungsprojektes sind zwei leistungsstarke USB3 Industriekameras von IDS Imaging Development Systems.
Zwei IDS Industriekameras liefern die nötigen Bildinformationen
Die beiden unterschiedlichen Aufgaben erfordern verschiedene Kameramodelle. „Für die globale, dynamische Beobachtung des PBF-LB/M-Prozesses wie z.B. von Spritzern oder der Schmauchbildung, verwenden wir ein Modell aus der USB3 uEye CP Kamerafamilie. Für die statische, hochaufgelöste Identifikation von Anomalien innerhalb der Pulverschichten sowie in den umgeschmolzenen Bauteilschichtgeometrien kommt eine USB3 uEye Kamera aus der SE-Serie zum Einsatz“, erklärt David Kolb, wissenschaftlicher Mitarbeiter des LAZ.
Anforderungen an die Kamerasysteme
Die Anforderungen an die beiden IDS Kamerasysteme sind aufgrund deren Einsatzbereiche im PBF-LB/M verschieden. „Da es sich beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen von Metallen um einen hochdynamischen additiven Fertigungsprozess handelt, bei dem das Bauteil Schicht für Schicht generiert wird, waren für die globale, dynamische Beobachtung vor allem folgende Features gefragt: Die Kamera muss eine Auflösung von über 1000 × 1000 Pixeln sowie eine Framerate von mehr als 100 fps bieten, ein Bildfeld von mindestens 100 mm × 100 mm abdecken und über einen Triggerport für Videoaufnahmen verfügen“, begründet David Kolb die Auswahl des Kameramodells. Die gewählte U3-3040CP-C-HQ Rev. 2.2 gewährleistet gute Bildqualität auch bei wenig Licht oder bei Aufnahmen von sich schnell bewegenden Objekten.
Dafür sorgt der Global-Shutter CMOS-Sensor IMX273 aus der Pregius-Reihe von Sony durch seine hohe Empfindlichkeit und den großen Dynamikbereich. Mit einer Auflösung von 1,58 Megapixeln (1456 × 1088 px) erreicht er eine Framerate von 251 Bildern pro Sekunde – ideal für detaillierte Video- und Bildauswertungen von dynamischen Prozessen.
Die Videosequenz / Abbildung zeigt den schichtweisen PBF-LB/M-Prozess bei unterschiedlichen Laserparametern, aufgenommen mit der U3-3040CP-C-HQ Rev. 2.2 von IDS unter Verwendung der Software IDS peak. „Dabei können je nach Einstellung der Industriekamera verschiedene Prozesseigenschaften wie z.B. Materialverdampfung oder die Menge und Richtung von Spritzern während des PBF-LB/M beobachtet sowie quantifiziert werden“, beschreibt David Kolb die Anwendung. „Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse liefern uns wichtige Informationen, um die Laser-Material-Wechselwirkungen des additiven Fertigungsprozesses tiefergehend zu verstehen und die Fertigungsparameter in Abhängigkeit des Materials oder z.B. der Bauteilgeometrie individuell anpassen zu können.“
Für die Prozessparameterfindung wurden würfelförmige Bauteile additiv gefertigt und der globale Fertigungsprozess mit der USB3 uEye CP Kamera analysiert. Hierdurch konnten optimale Laserparameter identifiziert werden, mit denen neuartige weichmagnetische Komponenten für effizientere Elektromotoren der Zukunft aus der schwierig zu verarbeitenden Eisen-Silizium-Legierung mit 6,5 Gew.-% Silizium (FeSi6,5) hergestellt werden können. Die darauf aufbauend gefertigte Statorhalbschale aus FeSi6,5 ermöglicht durch ihre optimierte, dreidimensionale Magnetflussführung eine ideale Anpassung an die besonderen Anforderungen von Transversalflussmaschinen. Die hohe elektrische Resistenz des Materials und die Designfreiheit des PBF-LB/M erlauben eine Reduktion von Wirbelstromverlusten, eine gesteigerte Leistungsdichte und die Integration zusätzlicher Funktionen wie Kühlstrukturen. Sowohl die komplexe Geometrie als auch der spröde, weichmagnetische Werkstoff FeSi6,5 sind mit konventionellen Fertigungsverfahren kaum herstellbar bzw. verarbeitbar und erfordern den Einsatz additiver Fertigungstechnologien.
Bei der statischen, hochaufgelösten Beobachtung der Pulverschichten bzw. Bauteilschichtgeometrien hingegen sind – neben einem Triggerport für Einzelbildaufnahmen – vor allem folgende Kameraeigenschaften gefragt: Der Sensor muss geometrische Merkmale unterhalb von 40 µm erfassen können, um Defekte in den Schichten zu identifizieren, und dabei ein Bildfeld von mindestens 100 mm × 100 mm sowie ein möglichst quadratisches Bildverhältnis (1:1) bieten. Genau das liefert die 20,36 Megapixel (4512 × 4512 px) Industriekamera U3-3990SE Rev. 1.2. Mit dem IMX541 verfügt sie über einen hochperformanten, hochauflösenden, großformatigen 1,1″ CMOS-Sensor aus der Pregius S-Serie von Sony. Die eingesetzte BSI-Technologie („Back Side Illuminated“) ermöglicht einerseits kleinere Pixel (2,74 µm) und eine höhere Auflösung und darüber hinaus verbesserte Quanteneffizienz und Empfindlichkeit.
„Dank der besonders benutzerfreundlichen und flexibel integrierbaren IDS Kameras konnten die notwendigen Anpassungen am Versuchsaufbau schnell und unkompliziert umgesetzt werden, sodass die USB3 uEye SE gezielt unter einem definierten Winkel positioniert werden kann“, erläutert David Kolb. Die nahezu vertikale Beobachtung der einzelnen Pulver-Bauteilgeometrie-Schichten wird nach Abschluss der finalen Anpassungen wertvolle Einblicke in die Bauteilqualität sowie potenzielle Fertigungsfehler ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich entscheidende Informationen über die Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile gewinnen und gezielt zur Optimierung des Fertigungsprozesses einsetzen.
Ausblick
Die Forschung auf dem Gebiet des PBF-LB/M ist essenziell für die Entwicklung und Verarbeitung neuer Werkstofflegierungen sowie die Herstellung leistungssteigernder, teils multimaterialfähiger Bauteilgeometrien. Ein tiefgehendes Prozessverständnis trägt dazu bei, Defekte zu minimieren und innovative Designs zu realisieren, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht umsetzbar wären. Die IDS-Kameras liefern dabei tiefgreifende Einblicke in das PBF-LB/M und leisten damit einen wertvollen Beitrag in der Forschung, Entwicklung und dem Transfer (F&E&T) – beispielsweise bei der Verarbeitung neuer Werkstofflegierungen oder der Herstellung komplexer, anwendungsoptimierter (Multimaterial-)Bauteile.
Künftig wird künstliche Intelligenz eingesetzt, um die dynamische und statische Beobachtung des PBF-LB/M automatisiert zu analysieren. Ziel ist es, die hochdynamische Laser-Material-Wechselwirkung – etwa die Anzahl und Flugbahn von Spritzern sowie die Entstehung von Prozessfehlern – noch besser zu verstehen und das additive Fertigungsverfahren im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit weiter zu verbessern.
Text- und Bildquelle: Hochschule Aalen
