SB_22039LP

2024
Abschlussbericht
DVS-Forschung
In Baurichtung ortsaufgelöste
Temperaturregelung
über emissionsgradunabhängige
Pyrometrie beim LPBF

In Baurichtung ortsaufgelöste
Temperaturregelung über
emissionsgradunabhängige
Pyrometrie beim LPBF
Abschlussbericht zum
Forschungsvorhaben IGF-Nr.: 22.039 N
DVS-Nr.: 13.3470
BIAS – Bremer Institut für
angewandte Strahltechnik GmbH
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 22.039 N / DVS-Nr.: 13.3470 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
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abrufbar unter: http://dnb.dnb.de
© 2024 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 595
Bestell-Nr.: 170705
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-home.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung ................................................................................................................................. 3
Danksagung ........................................................................................................................................... 4
PA-Sitzungen ......................................................................................................................................... 5
Erläuterungen zur Verwendung der Zuwendung ..................................................................................... 5
Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeiten ................................................................ 5
Schutzrechte .......................................................................................................................................... 5
1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung ................................................... 7
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass ....................................................................................... 7
1.2 Stand der Forschung ....................................................................................................................... 7
2 Zielsetzung und Lösungsweg gemäß Forschungsantrag .................................................................. 11
2.1 Forschungsziel ............................................................................................................................... 11
2.2 Innovativer Beitrag der angestrebten Forschungsergebnisse ...................................................... 11
2.3 Lösungsweg inklusive Arbeitsdiagramm gemäß Antrag ............................................................... 12
3 Systemtechnische Umsetzung ....................................................................................................... 16
3.1 Realisierung von Mess- und Regelungstechnik ............................................................................. 16
4 Ergebnisse und Diskussion ............................................................................................................ 18
4.1 Generierung von Temperaturmaps und Charakterisierung von Materialeigenschaften ............. 18
4.2 Einfluss von Schmauch auf die Temperaturmessung und den Prozess ........................................ 24
4.3 Einfluss der Hatching-Strategie ..................................................................................................... 29
4.4 Einfluss von Kantenüberhöhungen ............................................................................................... 32
4.5 Ortsaufgelöste Prozessregelung ................................................................................................... 33
5 Gegenüberstellung der durchgeführten Arbeiten und der Ergebnisse mit den Zielen ...................... 39
6 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen der erzielten Ergebnisse für KMU,
innovativer Beitrag und industrielle Anwendungsmöglichkeiten .................................................... 40
7 Publikationen im Rahmen des Vorhabens ...................................................................................... 41
7.1 Bisherige Veröffentlichungen zu den Forschungsergebnissen ..................................................... 41
7.2 Geplante Veröffentlichungen nach Projektende .......................................................................... 41
8 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................................................................. 42
8.1 Durchgeführte Transfermaßnahmen ............................................................................................ 42
8.2 Geplante Transfermaßnahmen ..................................................................................................... 43
8.3 Einschätzung der Realisierbarkeit des Transferkonzepts .............................................................. 43
9 Literaturverzeichnis ...................................................................................................................... 44
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22039N

1 Wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung
1.1 Ausgangssituation und Forschungsanlass
Einen wesentlichen Vorteil des Laserstrahlschmelzens im Pulverbett (Powder Bed Fusion – Laser Beam, kurz
PBF-LB) stellt die hohe Designfreiheit bei endkonturnaher Fertigung dar, wodurch komplexe Bauteile – inkl.
anderweitig nicht realisierbarer Geometrien – auch in geringer Stückzahl wirtschaftlich hergestellt werden
können. Hierbei ist die Ableitung der Wärme während des Bauprozesses eine zentrale Herausforderung des
Verfahrens, sodass keine kritische Wärmeakkumulation resultiert. Diese wiederum kann zu ungenügenden
geometrischen und mechanischen Bauteileigenschaften führen oder die Vollendung des Bauteils sogar
grundsätzlich verhindern. Die Notwendigkeit der Berücksichtigung einer geeigneten Wärmeableitung innerhalb
des Designprozesses schränkt die Umsetzbarkeit der Verfahrensvorteile bei vielen Anwendungen teilweise
erheblich ein. Beispielsweise kann hinsichtlich des Wärme-“Managements“ im Bauteil eine Anpassung
der Bauteilgeometrie, eine Anpassung von Prozessparametern oder das Einfügen/ Anpassen von Stützstrukturen
erforderlich werden. Stützstrukturen müssen dabei außerdem im Rahmen von Nacharbeiten entfernt
werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit des PBF-LB-Verfahrens weiter herabgesetzt wird. Um zukünftig die
Verfahrensvorteile des PBF-LB-Prozesses bestmöglich ausnutzen zu können, werden daher Lösungen benötigt,
welche eine zunehmende, kritische Wärmeakkumulation verhindern, ohne Komplexität und Aufwand
sowie erforderliches Wissen bzw. Know-How für die Anwender der Technologie maßgeblich zu erhöhen oder
die Designfreiheit einzuschränken.
Ein Ansatz, um zu hohe Wärmeakkumulationen zu eliminieren bzw. zu verringern stellt die Temperaturregelung
über geschlossene Regelkreise dar. Im Austausch mit Unternehmen der Branche wurde deutlich, dass
solche Regelsysteme zunehmend eine Schlüsselstellung in der Weiterentwicklung der PBF-LB-Technologie
einnehmen. Existierende Regelansätze, bei denen die Temperatur fortlaufend gemessen und über integrierende
Regler angepasst wird, reichen jedoch nicht aus, um im PBF-LB-Prozess abrupt wechselnde Geometrien,
die zu plötzlich stark variierender Wärmeableitung führen, überhaupt bzw. mit homogenen Werkstoffeigenschaften
herzustellen. Es besteht daher auf Seiten der Wirtschaft – also bei Anwendern, Messtechnikanbietern
und Maschinenherstellern – hoher Bedarf für neuartige Vorgehensweisen und Konzepte,
um eine Temperaturregelung beim PBF-LB-Prozess derart umzusetzen, dass sie hinsichtlich der Bauteilgestalt
möglichst universell und dabei anwenderfreundlich einsetzbar ist. Ein direkt in die Anlagentechnik integrierbares
System, wie es in diesem Vorhaben adressiert wird und welches eine Wärmeakkumulation ohne Kenntnis
der Bauteilgestalt über geeignete Regelkonzepte effektiv verringern kann, existiert aktuell nicht.
1.2 Stand der Forschung
Wärmeakkumulation während der Bauteilherstellung
Der vorrangige Grund für die hohe Relevanz von kritischen Wärmeakkumulationen beim PBF-LB-Prozess ist
die geringe Wärmeleitfähigkeit innerhalb des Pulverbetts und somit die geringe Wärmeableitung in und über
das Pulverbett. Hierzu haben beispielsweise Rombouts et al. gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit eines Pulverbetts
aus Stahlpulver (316L) bei unterschiedlichen Pulverpartikelgrößen von 22 µm bis 85 µm und relativen
Pulverdichten von 54 % bis 60 % im Bereich von einem Prozent der Wärmeleitfähigkeit des Vollmaterials
liegt [Rom05]. Da das Pulverbett nur einen geringen Teil der eingebrachten Wärme aus der Prozesszone abführen
kann, findet die hauptsächliche Wärmeableitung über die bereits hergestellten Strukturen und
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22039N

anschließend in das Substrat statt. Hierzu präsentieren beispielsweise Ranjan et al. ein analytisches Modell,
in dem eine Wärmeableitung über das Pulver vernachlässigt und nur eine Wärmeleitung in bereits erzeugte
Strukturen sowie Wärmestrahlung und -konvektion berücksichtigt werden [Ran20]. Sie berichten, dass die
Maximaltemperatur als Bewertungskriterium für eine Wärmeakkumulation geeignet ist und leiten daraus
hinsichtlich einer Wärmeakkumulation besonders kritische Bauteilbereiche ab.
Hierbei stellen Überhangstrukturen solche kritischen Bereiche dar. Um Überhangstrukturen herzustellen,
wird direkt über nicht konsolidiertem Pulver eine Strukturverbreiterung erzeugt, sodass in dieser Schicht
mehr Wärme bei gleichem Querschnitt zur Wärmeableitung ins Substrat eingebracht wird. Cloots et al. bezeichnen
diese Bereiche als „nach unten gerichtete Bereiche“ und grenzen sie von „nach oben gerichteten“
Bereichen ab, bei denen auf bereits erzeugten Strukturen ein Aufbauprozess stattfindet [Clo17]. Je flacher
der Überhangwinkel im Designprozess gewählt wird, desto größer ist die resultierende Wärmeakkumulation.
Hierzu wird von Wang et al. angegeben, dass bei typischen PBF-LB-Prozessen eine Wärmeakkumulation ab
einem Winkel < 45° kritisch wird [Wan13].
Eine Wärmeakkumulation beim PBF-LB-Prozess kann sowohl eine fehlerfreie Bauteilherstellung verhindern
als auch negative Auswirkungen hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, der Mikrostruktur oder der
Oberflächenqualität haben [Gup19]. Beispielsweise berichten Jamshidinia und Kovacevic von einer erhöhten
Oberflächenrauheit bei der Herstellung von dicht nebeneinander befindlichen Strukturen, welche eine Wärmeakkumulation
hervorrufen [Jam15]. Auch die Ausbildung von Eigenspannungen im Bauteil kann nach Mirkoohi
et al. innerhalb des PBF-LB-Prozesses durch Temperaturgradienten aufgrund von lokalen Wärmeakkumulationen
hervorgerufen werden [Mir20].
Ein häufig angewendeter Ansatz, um die Wärmebelastung in kritischen Bauteilbereichen zu reduzieren, ist
das Vorsehen von Stützstrukturen, welche i.d.R. zusätzlich mechanisch stabilisierend bei der Fertigung von
Überhängen wirken. Da solche Strukturen jedoch nach dem Fertigungsprozess im Rahmen von Nacharbeit
entfernt werden müssen, stellen Allaire und Bogosel einen Ansatz zur Optimierung solcher Stützstrukturen
vor [All18]. Hierbei wird vor allem die Orientierung des Bauteils im Bauprozess, die Form und die Position der
Stützstrukturen und die Zugänglichkeit der Stützstrukturen zur Nacharbeit berücksichtigt. Außerdem werden
von Allaire et al. Algorithmen zur automatisierten Optimierung von Stützstrukturen präsentiert, welche jedoch
vorrangig eine schwerkraftinduzierte Verlagerung und nicht eine Wärmeakkumulation berücksichtigen
[All20]. Eine Optimierung von Stützstrukturen hinsichtlich der Wärmeableitung wird hingegen beispielsweise
von Cooper et al. für elektronenstrahlbasierte Bauprozesse im Pulverbett entwickelt [Coo16] und von Paggi
et al. auf den PBF-LB-Prozess übertragen [Pag19]. Hierbei werden Stützstrukturen ohne direkten Kontakt
in der Nähe der temperaturkritischen Bereiche vorgesehen, welche die Wärmeableitung gegenüber eines
reinen Pulverbetts erhöhen. Es wurde gezeigt, dass diese unter anderem einen thermischen Verzug reduzieren
und gleichzeitig mit geringer Nacharbeit entfernt werden können.
Sensorische Erfassung einer Wärmeakkumulation
Wie im vorherigen Kapitel beschrieben, eignet sich die während des Prozesses auftretende Maximaltemperatur
zur Identifikation und Quantifizierung einer Wärmeakkumulation. Daher stellt die Messung der Temperatur
und der Wärmestrahlung während des PBF-LB-Prozesses über pyrometrische Methoden ein in der Literatur
vielfach untersuchtes Themenfeld dar. Bei PBF-LB-Prozessen wurde bereits sowohl die Ein- als auch
die Zweikanalpyrometrie angewendet, welche sich hinsichtlich des Messprinzips unterscheiden. Die Einkanalmessung
weist hierbei den Nachteil auf, dass die Kenntnis eines material- und oberflächenabhängigen
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Schlussbericht zu dem IGF-Vorhaben 01IF22039N

Emissionsgrades erforderlich ist, um aus der Strahlungsintensität die absolute Temperatur zu errechnen
[Moy14]. Dieser Messansatz wird beispielsweise von Mohr et al. angewendet, um die Wärmeakkumulation
beim PBF-LB-Prozess bei schrittweise verringerter Querschnittsfläche zur Wärmeableitung zu untersuchen
[Moh20a]. Sie vereinfachen die Messmethode, in dem sie keine Kalibration des Emissionsgrades vornehmen,
sodass sie zwar keine absoluten Temperaturen ermitteln, jedoch qualitative Erkenntnisse hinsichtlich der
Wärmeakkumulation im Herstellprozess ableiten können. Im Gegensatz zur Einkanalmessung werden bei der
Zweikanalpyrometrie zwei Wellenlängenbereiche erfasst, wodurch diese Messungen vom Emissionsgrad nahezu
unabhängig werden. Auch dieser Ansatz wurde bereits beispielsweise von Pavlov et al. für den PBF-LB
Prozess angewendet, indem ein solches Zweikanalpyrometer koaxial in den Strahlengang des Lasers integriert
wurde [Pav10]. Es wird jedoch nicht die absolute Temperatur angegeben, da durch die koaxiale Integration
eine Kalibration des Messgeräts im Strahlengang erforderlich wäre. Einen koaxial integrierten und
auf den Strahlengang kalibrierten Ansatz präsentieren Tyralla und Seefeld, welche hierdurch bereits absolute
Temperaturen während des PBF-LB-Prozesses messen konnten [Tyr19].
Neben der Unterscheidung hinsichtlich des Messprinzips ist auch eine Unterscheidung zwischen punktförmiger
und bildgebender Temperaturmessung zu erwähnen. Beispielsweise wurde der PBF-LB-Prozess von
Bayle et al. über ein Punktpyrometer beobachtet, um die Temperaturänderung vor, während und nach dem
Laserprozess an bestimmten Orten innerhalb der Bauteilschicht zu ermitteln [Bay08]. Besonders die bildgebende
Temperaturmessung (Thermographie) spielt jedoch beim PBF-LB-Prozess eine übergeordnete Rolle,
da hierdurch unter anderem Wärmeakkumulationen visualisiert werden können [Moh20b] und auch die Auswertung
von geometrische Kenngrößen wie die Schmelzbadgröße [Tyr20] oder die Wärmeverteilung während
des Aufbauprozesses [Cra11] ermöglicht wird. Anhand von unkalibrierten Einkanal-Thermographieaufnahmen
des Pulverbetts konnten Ulbricht et al. Abkühlraten nach jeder Bauteilschicht ermitteln und diese
ortsaufgelöst visualisieren [Ulb20]. Solche Abkühlraten werden als geeignet angesehen, um komplementär
zur auftretenden Maximaltemperatur eine Wärmeakkumulation zu identifizieren und bei rascher Abkühlung
auf das Risiko der Ausbildung von Eigenspannungen in bestimmten Bauteilbereichen zu schließen. Ein Ansatz
zur koaxialen Auswertung von Schmelzbädern über Thermografie während des PBF-LB-Prozesses wird von
Hooper präsentiert [Hoo18]. Er nutzt hierfür einen Versuchsaufbau bestehend aus zwei Hochgeschwindigkeitskameras,
welche über ein geeignetes optisches System und entsprechender Filterung zwei getrennte
Wellenlängenbereiche aufzeichnen. Hierüber kann ortsaufgelöst die vorherrschende Temperatur mittels
Zweikanalpyrometrie ermittelt und die Schmelzbadform während des Bauprozesses ausgewertet werden.
Ein solcher Versuchsaufbau wurde auch von Dörfert et al. über eine HDRC-PyroCam, welche die Erfassung
zweier Wellenlängenbereiche über eine entsprechende Filterung eines einzelnen Kamerachips in einem kompakten
Gehäuse umsetzt, realisiert [Dör19a]. Sie zeigen, dass über solche Schmelzbadaufnahmen die Auswertung
der Schmelzbadbreite möglich ist und dass der ermittelte Wert mit einer mittleren Abweichung von
ca. 5 % mit der tatsächlichen Schmelzbadbreite (ermittelt an Schliffbildern) übereinstimmt. Auch von
Craeghs et al. wurden über koaxiale, gefilterte Kameraaufnahmen, hier im sichtbaren Bereich, Schmelzbadbreiten
ermittelt [Cra11]. Da kein Temperaturmesswert zur Bestimmung der Schmelzbadgrenzen genutzt
werden konnte, wurde vorab eine Grauwertschwelle ermittelt, bei der die Schmelzbadbreite im binarisierten
Bild mit der post-process gemessenen Nahtbreite übereinstimmt. In einem nächsten Schritt wurden diese
Schmelzbadbreiten für jeden Zeitpunkt ermittelt und mit der Laserposition zum entsprechenden Zeitpunkt
korreliert [Cra12]. Mit Hilfe dieser Korrelation wurde ein sogenanntes „Mapping“ durchgeführt, d.h. es wurden
2D-Darstellungen der jeweiligen Bauteilschicht erstellt und als Farbskala die ermittelten
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