Infrarotmesstechnik von Optris für das Wire Arc Additive Manufacturing

Um den Prozess des Wire Arc Additive Manufacturing zu optimieren, erfasst Maschinenbauer Gefertec in seinen arc-Maschinen die Temperaturen am Werkstück mit Infrarotmesstechnik von Optris. Denn die Temperaturverteilungen im Werkstück und das Abkühl-Verhalten sind von entscheidender Bedeutung für die Bauteilqualität.

Autoren: Ingo Stahlkopf, Head of Sales, und Torsten Czech, Head of Marketing, Optris

Inhaltsverzeichnis
1. WAAM-Maschinen mit großem Bauraum
2. Temperatur im Prozess kontrollieren
3. Pyrometer entscheiden über den Fortschritt des Baujobs
4. Infrarotkameras beobachten Temperaturverteilungen
5. Einfache Auswertung der Thermografie-Bilder

Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird der Werkstoff als Draht mittels Lichtbogenschweißen Schweißraupe für Schweißraupe auf eine Grundplatte aufgebracht. Dies bringt gleich mehrere Vorteile im Vergleich zu pulverbasierten Verfahren mit sich: Draht ist als Ausgangsmaterial deutlich günstiger, und die meisten Werkstoffe sind in Drahtform erhältlich. Zudem können sowohl das aufwändige Pulverhandling als auch die Vakuumtechnologie entfallen. Größter Vorteil ist jedoch eine sehr hohe Aufbaurate, die mittels WAAM erreicht werden kann. Je nach verwendetem Werkstoff kann diese bis zu 650 cm³ pro Stunde betragen.

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WAAM-Maschinen mit großem Bauraum

Das Berliner Unternehmen Gefertec entwickelt und baut Maschinen, die den WAAM-Prozess für den 3D-Druck von Metallen verwenden. Die arc-Maschinen, die es als 3– und 5-Achs-Variante in unterschiedlichen Größen gibt, integrieren die ausgereifte Lichtbogenschweißtechnologie, eine benutzerfreundliche CAM-Software und eine Werkzeugmaschine zu einer einsatzbereiten additiven Fertigungslösung.

In der aktuell größten Ausbaustufe mit einem Bauraum von 8 m³ können Bauteile bis zu 8000 kg gefertigt werden. Eine speziell entwickelte CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC-Steuerung die exakte Positionierung des Schweißkopfs vornimmt. Die Fertigung des endkonturnahen Werkstücks erledigt die Maschine dann vollautomatisch. Nach dem 3D-Druck-Prozess wird die Oberfläche des Bauteils je nach Anforderungen der Anwendung noch komplett oder teilweise spanend bearbeitet.

Temperatur im Prozess kontrollieren

Die Temperaturen spielen im WAAM-Prozess eine wichtige Rolle. Denn die Temperaturverteilungen im Werkstück und das Abkühl-Verhalten sind von entscheidender Bedeutung, um die Qualität des fertigen Bauteils sicherstellen zu können. „Im Betrieb der Maschine wird erst dann mit dem Aufschweißen begonnen, wenn die darunter liegende Lage auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt ist“, erläutert Martin Lange, Mitarbeiter der Produktentwicklung bei Gefertec. Ist die Zwischenlage noch zu warm, führt das zu einem ungleichmäßigen Aufbauverhalten – die Schichtdicke würde zu stark variieren und die Geometrie des Bauteils nicht eingehalten.

Die entsprechende Temperaturmesstechnik ist in der Maschine mit einem Pyrometer gelöst. Nach dem Abschluss einer Lage fährt der Schweißkopf zum Startpunkt der nächsten Lage, das Pyrometer misst dann dort die Temperatur des Bauteils. Und erst wenn diese auf den voreingestellten Wert gesunken ist, arbeitet die Maschine weiter.

Pyrometer entscheiden über den Fortschritt des Baujobs

„In den meisten Anwendungen haben wir für die Zwischenlagentemperatur einen Wert von 150 °C bis 200 °C eingestellt“, sagt der Entwicklungsingenieur: „Dies ist für die Reproduzierbarkeit der Schweißnahthöhe optimal.“ In den arc-Maschinen, die Gefertec zukünftig ausliefert sollen Pyrometer aus der CT-Serie von Optris zum Einsatz kommen. Diese haben einen sehr kleinen Messkopf, der sich einfach in die Maschine integrieren lässt. Die separate Elektronikbox, die im Schaltschrank Platz findet, hat verschiedene Ausgänge, über die der Wert an die Steuerung der Maschine übergeben wird. Auf diese Weise wird die Zwischenlagentemperatur im Betrieb perfekt auf den passenden Wert eingestellt.

Um mit einem Pyrometer die Temperatur genau zu bestimmen, muss der Emissionsgrad exakt bekannt sein. Eine Verfälschung der Messung kann auch auftreten, wenn der Blick auf die Messoberfläche nicht ungestört ist. „Mit unseren arc-Maschinen können wir auch Bauteile aus Titan drucken, wobei allerdings eine starke Schmauch-Entwicklung nicht zu vermeiden ist“, erläutert Lange. In diesem Fall bietet sich der Einsatz von Quotientenpyrometern, wie denen aus der CTratio-Serie von Optris an. Da hier das Verhältnis der Intensitäten bei zwei Wellenlängen gebildet wird, kann die Messung trotz gestörter Sicht zuverlässig erfolgen. „Deswegen werden wir die Pyrometer der CTratio-Serie in Zukunft vermutlich in Maschinen einsetzen, wenn der Anwender damit Bauteile aus Titan drucken möchte“, sagt Lange.

Infrarotkameras beobachten Temperaturverteilungen

Bei der Entwicklung der arc-Maschinen und speziell bei der Qualifizierung der Prozesse kommen zusätzlich Infrarotkameras zum Einsatz. „Im Rahmen unserer Untersuchungen ist es von Vorteil, wenn man ein Gesamtbild aufnehmen kann und so eine räumliche Verteilung der Temperaturen erhält“ erklärt Martin Wolter, der als Schweißfachingenieur in der Prozessentwicklung bei Gefertec tätig ist. Dadurch lassen sich Temperaturverteilungen und Abkühlprozesse untersuchen, die für die Qualifizierung der Prozesse benötigt werden. Besonders hilfreich ist dabei die Verwendung einer Spotfinder-Infrarotkamera wie die Xi 400 von Optris. Diese hat eine optische Auflösung von 382 x 288 Pixel.

„Da der verwendete Spektralbereich in der aktuellen Infrarotkamera für den Einsatz an Metalloberflächen nicht optimal ist, erhalten wir nur eine qualitative Aussage und keine realen Temperaturen“, betont Wolter einen kleinen Nachteil der aktuellen Infrarotkamera. Um die tatsächlichen Temperaturen im Schmelzbad und in dessen Umgebung zu bestimmen, wird in Zukunft eventuell mit der PI 1ML eine neue Infrarotkamera von Optris eingesetzt werden, die speziell für Anwendungen mit Metallen konzipiert ist. Sie verwendet eine Messwellenlänge im Bereich von 1 µm. In diesem Spektralbereich ist der Emissionsgrad von Metallen deutlich höher als in dem üblichen Spektralbereich zwischen 8 µm und 14 µm. Dadurch sind genauere bessere Temperaturmessungen in dieser Anwendung möglich.

Einfache Auswertung der Thermografie-Bilder

Die Infrarotkameras von Optris lassen sich über eine USB-Schnittstelle an einen PC anschließen, um so die aufgenommenen Bilder zu übertragen. Mit der Analyse-Software PIX Connect, die Optris zusammen mit den Infrarotkameras ausliefert, können die Thermografie-Bilder in Echtzeit ausgewertet werden. Und auch eine Archivierung der Aufnahmen ist mit der Software einfach möglich. (eve)