Bildgestützte, anlagenunabhängige Überwachung von generativen Strahlschmelzprozessen
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Generative Fertigungsverfahren sind in den letzten Jahren unter dem Oberbegriff „3D-Drucker“ bekannt geworden. Sie basieren auf dem schichtweisen Aufbau von Werkstücken aus meist granularen Ausgangsmaterialien, wie z. B. Kunststoffgranulat oder Metallpulver, die durch ein Bindungsverfahren (z. B. thermisch oder chemisch) zur gewünschten Struktur zusammengesetzt werden. Gerade im Bereich des Prototypenbaus und der individuellen Fertigung von Einzelstücken oder Kleinstserien wird die Flexibilität dieser Produktionsmethoden hoch geschätzt. Durch den schichtweisen Aufbau lassen sich nahezu beliebig komplexe Geometrien fertigen, die mit keinem anderen Produktionsverfahren realisierbar sind.
Das Strahlschmelzverfahren erlaubt die Herstellung von Werkstücken aus Metallpulvern. Dabei wird eine dünne Schicht Metallpulver auf die Bauplattform aufgetragen und von oben mithilfe eines Laserstrahls verschmolzen. Diese Schritte werden wiederholt, so dass schichtweise das gewünschte Werkstück entsteht (siehe Abb. 1). Die Geometrie der Schweißnähte wird aus einer Schnittdarstellung des konstruierten CAD-Modells abgeleitet. Dieses Produktionsverfahren wird heutzutage bereits in einer Vielzahl von Bereichen, wie z. B. dem Bau von Zahnprothesenrohlingen oder dem Prototypdesign, eingesetzt. Das Verfahren ist herstellerabhängig auch unter den Namen Laser Forming, Selective Laser Melting (SLM), Laser-Cusing, Electron Beam Melting (EBM) und Direktes-Metall-Laser-Sintern (DMLS) bekannt (siehe VDI-Norm 3404).
Ein Problem der Fertigung mittels Strahlschmelzprozessen ist die fehlende Prozessüberwachung – die Bauteile können erst nach Fertigstellung auf Fehler überprüft werden. Das einzige nicht-destruktive Prüfverfahren ist dabei die computertomographische Untersuchung, die teuer und durch das meist notwendige Einsenden der Werkstücke auch sehr zeitaufwändig ist. Hinzu kommt die technische Einschränkung der untersuchbaren Materialdicke. Durch die langen Bauzeiten (ca. 40 Stunden für 200 mm Bauhöhe) ist diese Art der Untersuchung in höchstem Grade ineffizient: Ein Fehler, der in einer der ersten Schichten auftritt, macht das Werkstück unbrauchbar und vergeudet kostspielige Maschinenlaufzeit.
Um die Verbreitung von Strahlschmelzprozessen auszudehnen und auch sicherheitskritische Bereiche wie die Luftfahrt- und Medizintechnik zu erschließen ist eine umfassende Qualitätsprüfung und Dokumentation notwendig.
Forschungsthemen
- Schichtbildaufnahme von Pulverschicht und Belichtungsergebnis (engl.)
- Prozessdokumentation (engl.)
- Prozessfehler und Fehlerkategorisierung (engl.)
- Detektion und Analyse von überhöhten Regionen in Pulverschichtbildern (engl.)
Eine detaillierte Übersicht unserer Arbeiten finden Sie auf der englischsprachigen Projektseite
Kooperationspartner
Prof. Gerd Witt, Dipl.-Ing. Stefan Kleszczynski
Lehrstuhl für Produkt Engineering, Universität Duisburg-Essen
Förderung
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) über die Allianz industrieller Forschungsvereinigungen (AiF), IGF 17042 N, 2011-2013
Kontakt
Bei Fragen zum BIGS-Projekt wenden Sie sich bitte an:
Joschka zur Jacobsmühlen, Tel.: +49 (241) 80-27974
Veröffentlichungen
Einen Überblick ausgewählter Publikationen finden Sie auf der englischsprachigen Projektseite
Vortragsfolien zu Konferenz-Veröffentlichungen