SB_21178NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Hochpräzises,
dimensionelles Erfassen des
schichtweisen Lagenaufbaus
beim LBM-Verfahren mit
einem neuen Prüfkonzept

Hochpräzises, dimensionelles
Erfassen des schichtweisen
Lagenaufbaus beim LBM-
Verfahren mit einem neuen
Prüfkonzept
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.178 N
DVS-Nr.: 13.3214
BIAS - Bremer Institut
für angewandte Strahltechnik
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.178 N / DVS-Nr.: 13.3214 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen
Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 564
Bestell-Nr.: 170674
ISBN: 978-3-96870-564-4
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Seite 7 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21178 N
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ........................................................................................................ 3
PA-Sitzungen ................................................................................................................. 6
Erläuterungen zur Verwendung der Zuwendung ........................................................ 6
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................. 6
Schutzrechte .................................................................................................................. 6
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung .................. 9
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass ............................................................ 9
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten ..................................................... 10
1.2.1 Stand der Forschung .............................................................................. 10
1.2.2 Eigene Vorarbeiten ................................................................................. 13
2 Zielsetzung und Lösungsweg gemäß Forschungsantrag ................................ 17
2.1 Forschungsziel ..................................................................................................... 17
2.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse .............................. 17
2.3 Lösungsweg inklusive Arbeitsdiagramm .............................................................. 18
3 Messsystem .......................................................................................................... 20
3.1 Messprinzip.......................................................................................................... 20
3.2 Entwicklung und Integration in die Versuchsanlage ............................................. 21
4 Qualifizierung der Messgenauigkeit ................................................................... 27
5 Messung des Pulverbetts .................................................................................... 30
6 Strukturfunktion ................................................................................................... 32
7 Bestimmung von Oberflächenkenngrößen und Korrelation mit innerer
Bauteilqualität an einfachen Probengeometrien ...................................................... 35
8 Topografieerfassung bei der Herstellung komplexer Proben .......................... 40
9 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und der Ergebnisse mit den
Zielen ............................................................................................................................ 44
10 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten
Ergebnisse für KMU, innovativer Beitrag und industrielle
Anwendungsmöglichkeiten ........................................................................................ 47
11 Publikationen im Rahmen des Vorhabens ......................................................... 49
11.1 Bisherige Veröffentlichungen zu den Forschungsergebnissen ............................ 49
11.2 Geplante Veröffentlichungen nach Projektende................................................... 49
12 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ..................................................... 50
12.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen .................................................................... 50
12.2 Geplante Transfermaßnahmen ............................................................................ 51
12.3 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzepts .................................... 52

Seite 8 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21178 N
13 Abbildungsverzeichnis ........................................................................................ 53
14 Literaturverzeichnis ............................................................................................. 57

Seite 9 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21178 N
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass
Das pulverbettbasierte Laser-Strahlschmelzen (engl.: laser beam melting, LBM [1] oder
laser powder bed fusion, L-PBF [2]) zur additiven Fertigung von Metallen bietet die
Möglichkeit, Bauteile mit komplexer Geometrie endkonturnah zu fertigen. Dabei wird ein
Metallpulver über einer Substratplatte verteilt und punktuell von einem
programmgesteuerten Laser aufgeschmolzen. Durch ein schichtweises Wiederholen des
Vorgangs, mittels Verfahren der Bauplattform, entsteht das gewünschte Bauteil.
Monitoring Systeme sind im Bereich additive Fertigung oftmals angedacht aber nicht
serienreif und prozesssicher anwenderorientiert umgesetzt. Hier herrscht ein hoher
Bedarf an einer einfachen, zielgerichteten Umsetzung. Qualitätssicherung im Nachgang
ist oft zu spät, aufwändig, zeitintensiv und verursacht hohe Kosten. Hierzu zählen
Verfahren der Metallografie und zerstörungslose Methoden zur Inspektion der inneren
Bauteilqualität wie Röntgen-CT, der quasistatischen und dynamischen Werkstoff- bzw.
Bauteilprüfungen, der Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit (Welligkeit, Rauheit)
und der Geometriekontrolle (Koordinatenerfassung durch Antastung).
Für ein online-Monitoring existieren Ansätze über die Beobachtung des Schmelzbades
(Temperaturerfassung, Prozessleuchten) [3-5]. Zuverlässige Rückschlüsse auf die
Bauteilqualität wie Porenbildung sind mit diesen Systemen noch nicht gezeigt worden.
Bisher gibt es kein System, das die Möglichkeit bietet, den Pulverauftrag und die
Konsolidierung jeder Lage dimensionell mit hoher Auflösung (Mikrometer in Baurichtung)
zu erfassen. Insbesondere fehlt das Basiswissen, inwiefern geringe lokale Abweichungen
von der Sollgeometrie einer Lage den Prozess bzw. die Bauteilqualität in welcher
Größenordnung beeinflussen. Zielführend wäre es, anhand dieser Informationen die
Entscheidung treffen zu können, ob Prozessabweichungen (fehlerhafter Pulverauftrag,
fehlerhafte Schweißung, Verzug des bisher generierten Bauteils etc.) vorliegen, bevor die
nächste Lage geschweißt wird und es zu einer Fehlausbildung kommt. Der Prozess sollte
dann nachgeregelt werden können, damit trotz dieser Prozessabweichung eine
Fehlerausbildung vermieden werden kann. Dies würde die Ausschussquote minimieren
und eine klare Abgrenzung zu gegenwärtigen online-Überwachungssystemen darstellen.
Für die Behebung dieses erkannten Problems auf Seiten der Wirtschaft wird ein
neuartiger Ansatz der inline-Messtechnik für das LBM-Verfahren vorgeschlagen. Dafür
soll das dimensionelle Messen mit strukturierter Beleuchtung (Streifenprojektion) bei der
pulverbettbasierten additiven Fertigung (LBM) von metallischen Bauteilen eingeführt
werden. Das Thema Monitoring ist einer der Schlüssel für die Akzeptanz der
Pulverbetttechnologie gerade auch in Bereichen hoher Anforderungen oder geringer
Kosten. Gefordert sind anlagenunabhängige Messsysteme und der hier vorgestellte
Lösungsansatz ist ein wichtiger Baustein dafür.

Seite 10 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21178 N
1.2 Stand der Forschung und eigene Vorarbeiten
1.2.1 Stand der Forschung
Die Technologie der additiven Fertigung mittels Pulverbett-Verfahren erfolgt durch
schichtweises Aufschmelzen metallischer Pulver (Schichtdicke 20 μm bis 100 μm) unter
Einwirkung von Laserstrahlung [6]. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass
Strukturen aus metallischen Werkstoffen in nahezu beliebiger Form generiert werden
können. Es entsteht eine vorher kaum vorstellbare Freiheit im Design. Bauteile können
z.B. Hohlräume wie Kühlkanäle enthalten und fast beliebige Geometrien annehmen [7].
Gegenüber der subtraktiven Fertigung ist zudem der hohe Grad der Werkstoffausnutzung
und der geringe Nachbearbeitungsaufwand ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens.
Es gibt allerdings zahlreiche Einflussgrößen auf den Prozess und damit auf die
Bauqualität, die ein Monitoring unbedingt erforderlich machen [8]. Beispiele sind:
Um eine industrielle Serienfertigung zu ermöglichen, sind hier automatisierte Lösungen
zur Qualitätssicherung gefragt. Kommt es während des Drucks zu einem Fehler,
beispielsweise durch fehlerhaften Pulverauftrag oder Konsolidierung, sind die Bauteile
nicht mehr brauchbar, wenn der Mangel nicht erkannt und der Prozess nicht nachgeregelt
werden kann. Die Verfügbarkeit geeigneter Methoden zur in-line Qualitätskontrolle ist
zudem auch eine Grundvoraussetzung für den Einsatz von sicherheitsrelevanten
Bauteilen. Lösungen hierfür können kontaktfreie, zerstörungslose Methoden bieten, die
innerhalb der Produktionskette integrierbar sind. Die optische Messtechnik ist aus der
modernen Produktionstechnik nicht mehr wegzudenken, da sie eine hochgenaue,
schnelle und berührungslose Qualitätskontrolle ermöglicht. Bezogen auf den LBM-
Prozess sind eine Reihe von Methoden untersucht worden, die sich hauptsächlich auf die
Analyse des Schmelzbades beziehen. Von den Anlagenherstellern werden dafür
verschiedene Systeme mit Fotodioden oder NIR Kameras angeboten [9-11]. Alternativ
gibt es für die Temperaturbeobachtung ebenso Techniken mit pyrometrischen Verfahren
[12], die allerdings bis heute kaum Einzug in die Produktion gefunden haben.
In jüngerer Zeit gibt es zudem einige Ansätze für die Prozessbeobachtung in pulverbettbasierten
Verfahren mit optischer Kohärenztomogafie (OCT) [13]. Bei dieser punktweise
messenden, optischen Methode nutzt man breitbandiges Licht von zeitlich geringer
Kohärenzlänge. Der Strahlengang der OCT wird koaxial zum Prozesslaser geführt. Die
gemessene Weglänge wird interferometrisch durch Referenzmessungen erhalten. Die
Auflösung der OCT in axialer Richtung kann durchaus Werte im unteren
Mikrometerbereich (1 µm - 20 µm) haben [14]. Ein Nachteil des Verfahrens ist der
zeitintensive Scanvorgang. Für eine vollständige Begutachtung des aufgetragenen

Seite 11 des Schlussberichts zu IGF-Vorhaben 21178 N
Pulvers vor dem Druck sind abhängig von der Scangeschwindigkeit, Größe des
Bauraums und lateraler Auflösung mehrere zehn Sekunden notwendig. Eine weitere
Schwäche des Verfahrens findet sich bei nicht ausreichender diffuser Reflexion [15].
Durch den koaxialen Strahlverlauf in Detektionsrichtung kann es bei größeren
Scanwinkeln schnell zum Signalverlust kommen. Da nur das Schmelzbad beobachtet
wird, müssten zudem für eine Höhenerfassung der Pulververteilung und Konsolidierung
weitere Scanvorgänge vor und nach dem Druck der Lage erfolgen.
Mit keinem der genannten Verfahren ist gezeigt worden, dass die verwendete Messgröße
einen direkten Zusammenhang zu innerer Bauteilqualität (Poren) oder Sollgeometrie hat.
Die Lösung hierfür soll in diesem Antrag ein neuer Ansatz im Prozess unter Anwendung
des dimensionellen Messens mit strukturiertem Licht sein. Die dimensionelle
Messtechnik ermittelt quantitative Parameter eines Objekts über das Erfassen der SI-
Einheit Länge sowie der daraus abgeleiteten dimensionellen Messgrößen. Das können
z.B. Gestalt, Maß, Form und Lage sowie auch Welligkeit und Rauheit sein. Ein Großteil
der verwendeten Verfahren lässt sich unter dem Begriff „geometrisch-optische“
Messtechnik zusammenfassen und bezeichnet alle Systeme, die nach dem Prinzip von
sich gradlinig ausbreitenden Lichtstrahlen beschrieben werden. In dem hier
vorgeschlagenen Forschungsvorhaben steht die flächig messende Streifenprojektion
[16,17] für die hochgenaue Geometrieerfassung der Pulververteilung und Konsolidierung
beim LBM-Prozess im Blickpunkt. Mit Bild 1 ist das allgemeine Prinzip der Methode
gezeigt. Bei diesem Ansatz wird die Probenoberfläche mit strukturiertem Licht codiert.
Bild 1: Prinzip der Streifenprojektionstechnik. Ein übertragenes Muster geradliniger Streifen auf das Objekt
wird durch eine Kamera beobachtet. Je größer der Winkel zwischen Projektor und Kamera beträgt,
desto größer ist der Grad der Streifenverschiebung (= Systemempfindlichkeit) über dem Objekt in
Sichtrichtung. Die Höheninformation ist in der Streifenform codiert. Das Beispiel-Objekt im Bild ist
eine Kfz-Getriebeglocke.
Die Information des Oberflächenprofils ist mit dem verformten Streifenmuster verbunden,
das stets der Objektform folgt. Im Allgemeinen wird eine eindimensionale, sinusförmige
Streifensequenz auf eine Oberfläche projiziert und normalerweise mit CCD- oder CMOS-
Kameras aufgenommen [18]. Die modulierte Lichtphase wird dann mit einer der