Mehr Einblick mit Bildverarbeitung

Eine Vielzahl unterschiedlicher Störphänomene wie unter anderem Schmelzbadturbulenzen, Schweißrauchbildung, Spatter oder sonstige Anomalien erschweren die Überwachung und Regelung von PBLM-Prozessen. © Aconity3D

Die Bilddaten, die die Kameras liefern, ermöglichen den Experten von Aconity3D zusätzliche Einblicke in den PBLM-Prozess, erläutert Lübbert: "Mit diesen Hochgeschwindigkeitskameras können wir beispielsweise Konturscans von Materialschichten über den Bauprozess hinweg vergleichen und das Verhalten des Schmelzbads in kritischen Bauteilbereichen beobachten. Auf diese Weise können wir Fehler wie abreißende Schmelzbäder oder inhomogene Oberflächenbeschaffenheiten identifizieren. Somit lässt sich der Einfluss veränderter Laser-Parameter wie der Modulationsfrequenz und der Modulationslänge auf die Größe des Schmelzbades erkennen, 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." Die so gewonnenen Erkenntnisse bilden in Kombination mit weiteren Messmethoden wie der Pyrometrie die Grundlage für eine effizientere Materialforschung im Bereich des 3D-Metalldrucks.

Die Inline-Inspektionsmethode hat das Potenzial, Produktionsfehler frühzeitig zu erkennen. Daraus resultieren eine geringere notwendige Anzahl an zerstörerischen Materialprüfungen sowie niedrigere Herstellungskosten. Darüber hinaus stellt eine zuverlässige Prozessüberwachung mit einer schlüssigen Korrelation zwischen den eingesetzten Prozessparametern und den resultierenden Bauteileigenschaften eine Voraussetzung für eine geschlossene Prozessführung dar. Für konventionelle Laserschweißprozesse werden solche Regelungssysteme seit vielen Jahren eingesetzt. "Bei PBLM-Prozessen befindet sich die Prozessüberwachung oder gar die Prozessregelung hingegen noch in einem recht frühen technologischen Stadium, doch unsere Entwicklungen tragen dazu bei, diesen Rückstand zu verkürzen", sagt Lübbert.

Als Haupthindernis für die Inline-Prozessüberwachung und -regelung von PBLM-Prozessen nennt er die instationäre Natur des Prozesses, der durch Phänomene wie unter anderem Schmelzbadturbulenzen, Schweißrauchbildung, Spatter oder sonstige Anomalien im Pulverbett bestimmt wird. Diese zugrundeliegenden störenden Prozessphänomene erhöhen das Messrauschen und verringern die Genauigkeit der Informationen, die sich direkt aus dem Schmelzpool gewinnen lassen.

Die eingesetzte Mikrotron-High-Speed-Kamera ist für diese Anwendung aus mehreren Gründen eine gute Wahl, erläutert Karl Laderer, der als Area Sales Manager DACH für den Vertrieb der Mikrotron-Produktreihe verantwortlich ist: "Die High-Speed-Kamera verfügt über einen Sensor, bei dem sich die Region of Interest (ROI) sowohl in Y- als auch in X-Richtung skalieren lässt. Das Besondere bei diesem Sensor ist eine mögliche Steigerung der Bildrate durch eine Reduzierung der Pixel in X-Richtung. Auf diese Weise lassen sich kleine ROI mit hoher Bildrate realisieren, was Anwendern eine enorme Flexibilität an die Hand gibt, die Kamera auf die vorliegenden Anforderungen anzupassen." Auch die Pixelgröße von 8 µm× 8 µm des 3-MP-Sensors sowie das lüfterlose Design für eine einfache Integration sind laut Laderer wichtige Kamera-Eigenschaften, die bei der Überwachung von PBLM-Prozessen für zuverlässige Ergebnisse sorgen. Das von Aconity3D entwickelte Inline Process Monitoring Tool ist für nahezu alle Systeme des Unternehmens verfügbar, zum Beispiel für das Einsteigersystem AconityMini und das zurzeit größte System AconityTwo mit optionalem Multi-Laser-Setup. Zielgruppe dieser Anlagen sind Forschungseinrichtungen sowie die Forschungsabteilungen großer Unternehmen, die sich mit PBLM-Prozessen befassen.

Product Manager Lutz Lübbert fasst zusammen: "Die Prozessüberwachung mit Hilfe von Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungssystemen ist ein wirksames Instrument, um mehr über die laufenden Mechanismen zu erfahren und die Qualität von Teilen bereits während der Produktion zu verbessern, anstatt die fertigen Teile für eine spätere Parameteroptimierung zu analysieren. Unser Ziel ist es, die Entwicklung von Erkennungsalgorithmen voranzutreiben, mit denen sich übermäßige Schmelzbadgrößen schnell und sicher identifizieren lassen, um sofortige Gegenmaßnahmen einzuleiten. Aufgrund unserer guten Erfahrungen mit den bisher eingesetzten Produkten und dem hilfreichen Support unter anderem in Programmierfragen sehe ich die High-Speed-Kameras von SVS-Vistek auch für unsere künftigen Systeme als wesentliche Komponenten an."