Kameras sichern Qualität beim Laserschmelzen

Globale, dynamische Beobachtung

Globale Prozessbeobachtung des PBF-LB/M bei verschiedenen Farb- und Belichtungseinstellungen mit der IDS Kamera U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 und der Software IDS peak. © Hochschule Aalen

Die U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 liefert auch bei schwachem Licht und bei schnellen Bewegungen eine hohe Bildqualität. Dafür sorgt der Global-Shutter CMOS-Sensor IMX273 aus der Pregius-Reihe von Sony durch seine Empfindlichkeit und den Dynamikbereich. Mit einer Auflösung von 1,58 Megapixeln (1456 x 1088 px) erreicht er eine Framerate von 251 Bildern pro Sekunde – ideal für detaillierte Video- und Bildauswertungen von dynamischen Prozessen. „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 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“.

Zur Ermittlung geeigneter Prozessparameter wurden zunächst würfelförmige Testbauteile gefertigt und der gesamte Fertigungsprozess mit einer USB3-uEye-CP-Kamera analysiert. So ließen sich optimale Laserparameter bestimmen, mit denen sich neuartige weichmagnetische Komponenten aus der schwer verarbeitbaren Eisen-Silizium-Legierung FeSi6,5 (6,5 Gew.-% Silizium) herstellen lassen – ein Material mit großem Potenzial für effizientere Elektromotoren.

Additiv gefertigte weichmagnetische Statorhalbschale einer Transversalflussmaschine aus FeSi6,5 auf einer Bauplattform. © Hochschule Aalen

Darauf aufbauend entstand eine Statorhalbschale aus FeSi6,5, die durch ihre optimierte 3D-Magnetflussführung speziell auf die Anforderungen von Transversalflussmaschinen zugeschnitten ist. Dank der hohen elektrischen Resistenz des Materials und der Designfreiheit des PBF-LB/M-Prozesses können Wirbelstromverluste reduziert, die Leistungsdichte gesteigert und zusätzliche Funktionen wie integrierte Kühlstrukturen umgesetzt werden. Solch komplexe Geometrien und der spröde Werkstoff FeSi6,5 lassen sich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren kaum realisieren – hier zeigt die additive Fertigung ihre besonderen Stärken.

Beobachtung der Pulverschichten

Für die statische, hochaufgelöste Beobachtung der Pulverschichten und Bauteilschichtgeometrien sind bestimmte Kameraeigenschaften besonders wichtig. Der Sensor muss Details unterhalb von 40 µm erkennen können, um Defekte in den Schichten sicher zu identifizieren. Gleichzeitig ist ein Bildfeld von mindestens 100 mm × 100 mm und ein möglichst quadratisches Format (1:1) erforderlich. Diese Anforderungen erfüllt die Industriekamera U3-3990SE Rev.1.2 mit 20,36 Megapixeln (4512 × 4512 px). Sie ist mit dem großformatigen 1,1"-CMOS-Sensor IMX541 aus der Sony Pregius-S-Serie ausgestattet, der eine hohe Auflösung und Leistungsfähigkeit bietet. Dank BSI-Technologie („Back Side Illuminated“) ermöglicht er kleinere Pixel (2,74 µm), höhere Auflösung sowie eine 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 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.

Die Forschung im Bereich PBF-LB/M ist entscheidend, um neue Legierungen zu entwickeln und leistungsfähige Bauteilgeometrien – teilweise sogar als Multimaterial – herzustellen. Ein besseres Verständnis des Prozesses hilft, Defekte zu vermeiden und Designs zu realisieren, die mit klassischen Verfahren nicht möglich wären. IDS-Kameras liefern dafür wertvolle Einblicke in das Verfahren und unterstützen Forschung, Entwicklung und Technologietransfer, etwa bei der Verarbeitung neuer Materialien oder der Fertigung komplexer, anwendungsspezifischer Bauteile.

In Zukunft soll Künstliche Intelligenz die dynamische und statische Prozessbeobachtung automatisiert auswerten. So lassen sich etwa Spritzerbildung, deren Flugbahnen oder die Entstehung von Fehlern noch genauer analysieren. Ziel ist es, die hochdynamische Wechselwirkung zwischen Laser und Material besser zu verstehen und das Verfahren im Hinblick auf Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit weiter zu optimieren.