Für das ortsgenaue Aufschmelzen des Pulvers bei den pulverbasierten additiven Fertigungsverfahren werden industrieübliche CW-Laser (Continuous Wave Laser) verwendet. Deren Laserstrahl wird über leistungsstarke Galvanometer-Scanner kontrolliert. Die Art und Qualität der Belichtung durch den Laserstrahl und das dadurch induzierte Aufschmelzen des Pulvers haben großen Einfluss auf die Eigenschaften des Werkstücks, etwa auf dessen Dichte und Oberflächenbeschaffenheit.
Die Steuerungsparameter des Lasers wirken sich auch auf die Aufbaugeschwindigkeit während des 3D-Drucks aus. Eine optimierte Prozessüberwachung und -kontrolle an der Stelle des Aufschmelzens kann somit die Qualität des Prozesses und des Produktes positiv beeinflussen. Aus diesem Grunde widmen Wissenschaftler wie Tobias Kolb am Lehrstuhl für Photonische Technologien der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg ihre Aufmerksamkeit diesen in schneller Folge auf kleinstem Raum ablaufenden Vorgängen.
Koaxiale Prozessüberwachung
„Im Rahmen unseres Forschungsvorhabens untersuchen wir mittels koaxialer Prozessüberwachung die thermische Strahlung, die beim Aufschmelzen des Pulvers entsteht“, fasst Tobias Kolb in einem Satz zusammen, was in der Realität ein aufwendiges Unterfangen ist. Denn neben dem komplexen theoretischen Hintergrund, den es zu beherrschen gilt, ist der instrumentelle Einsatz im Labor erheblich.
Dort zeichnen koaxial integrierte, die Optik des Lasers nutzende Hochgeschwindigkeitskameras die thermische Strahlung auf, die während des Aufschmelzens des Pulvers emittiert wird. „Mithilfe der Hochgeschwindigkeitskameras erhalten wir eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung und können Rückschlüsse auf stattfindende Prozessschwankungen, Oberflächenrauheit im Prozess oder im Pulverbett liegende Spritzer ziehen“, erklärt Tobias Kolb.
Strahlung im Wellenlängenbereich von
700 bis 950 Nanometer
Für die Untersuchungen werden CMOS-Kameras des Typs Eo-Sens CL von Mikrotron verwendet. Mit ihrer Hilfe lassen sich Informationen über die Größe und Form des Schmelzbades und über die Intensitätsverteilung der thermischen Strahlung gewinnen. Im optischen System, durch welches der Prozess beobachtet wird, befindet sich ein dichroitischer Spiegel, der die thermische Strahlung im Wellenlängenbereich von 700 bis 950 Nanometer zum Kamerasensor transmittiert.
Da der Prozess mit Scan-Geschwindigkeiten von mindestens 500 mm/s bis über 1000 mm/s abläuft, muss mit einer Aufnahmefrequenz von mehr als 10 kHz gearbeitet werden. Nur so ist die erforderliche hohe räumliche Auflösung zu erreichen. „Um eine Auflösung zu erhalten, die in der Größenordnung des Schmelzbades von etwa 100 Mikrometern liegt, wird eine Aufnahmefrequenz von 10 bis 15 kHz benötig“, beschreibt Tobias Kolb die besonderen Anforderungen an die Kameras. „Wir fokussieren das Schmelzbad mit einer Makrooptik und beobachten den Prozess mit einem auf 100 x 100 Pixeln reduzierten Aufnahmebereich des Sensors, um diese hohe Aufnahmefrequenz zu erreichen.“
Es entsteht ein enormes Datenvolumen mit Informationen über das Schmelzbad. Dieses Datenvolumen muss in kürzester Zeit verarbeitet werden. Daher werden die vom Bildsensor gelieferten Signale mittels FPGA-Chips (FPGA = Field Programmable Gate Array) vorausgewertet. Aus jedem Kamerabild wird ein Vektor erzeugt, der Eigenschaften des Bildes beschreibt. Diese Informationen werden anhand der Daten des Scanner-Systems einer genauen räumlichen Position zugeordnet. Daraus werden Schicht für Schicht Abbilder der thermischen Strahlung erzeugt. Diese Bilder werden dann analysiert.
„Wir arbeiten an der Weiterentwicklung von Bildverarbeitungssoftware, um diese Daten auszuwerten“, ergänzt Tobias Kolb. „Damit könnte in Zukunft ein geregelter Prozess entstehen, mit dem sich während des Drucks Fehlstellen erkennen lassen, die dann in den folgenden Schichten durch Laser-Polieren oder andere Methoden ausgeglichen werden können.“
Ausblick
Moderne Hochgeschwindigkeitskameras von Mikrotron können das liefern, was für eine optimierte Prozessanalyse beim Selective Laser Melting (SLM), dem Direct Metal Laser Sintering (DMLS) oder dem Selective Laser Sintering (SLS) gebraucht wird. Auch weitere Laseranwendungen wie etwa das Laser-Schweißen oder das Löten und Bohren mit Lasern, die ebenfalls zur Herstellung moderner Produkte auf der Basis innovativer Technologien und Materialien zum Einsatz kommen, ließen sich durch die schnelle Prozessanalyse in vergleichbarer Weise verbessern.
Mit laserbasierten Fertigungsmethoden hergestellte Werkstücke werden immer komplexer, leichter und robuster. Sie werden bald in jedem Automobil, in jedem Flugzeug und in zahllosen Produkten von der Medizintechnik bis hin zu hochwertigen Gebrauchsgütern unverzichtbar sein. In den schnellen und weiter verfeinerten Produktionserfahren werden noch schnellere Hochgeschwindigkeitskameras wie beispielsweise die neue Eo-Sens 1.1 CXP oder die neue superschnelle Eo-Sens 1.1 CXP2 von Mikrotron die Prozessüberwachung und -regelung optimieren.
Beide Kameras werden über eine Auflösung von 1,1 Megapixeln und eine Empfindlichkeit von 20 V/lux·s bei einer Lichtwellenlänge von 550 nm verfügen. Bei reduziertem ROI erreicht die Eo-Sens 1.1 CXP eine Bildrate von bis zu 80 000 fps. Die EoSens 1.1 CXP2, die mit einer CoaXPress V2.0 Schnittstelle ausgestattet sein wird, liefert bei reduziertem ROI sogar Bildfrequenzen bis 150 000 fps.
Dem Ziel, Produktionsabläufe auf der Basis extrem schnell gewonnener und ausgewerteter Bildinformationen zu verbessern, kommen die Experten in den Unternehmen mit den neuen Kameramodellen einen großen Schritt näher.
Mikrotron GmbH
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