SB_19960NLP

2020
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Validierung der
Geschwindigkeit-
Temperatur- Partikel-
Messungen an Plasma-,
Lichtbogendraht- und
HVOF basierten Prozessen

Validierung der
Geschwindigkeit-Temperatur-
Partikel-Messungen an
Plasma-, Lichtbogendraht- und
HVOF basierten Prozessen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 19.960 N
DVS-Nr.: 02.098
Universität der Bundeswehr München
Institut für Plasmatechnik und Mathematik
Labor für Plasmatechnik
Technische Universität Dortmund
Fakultät Maschinenbau Lehrstuhl für
Werkstofftechnologie
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 19.960 / DVS-Nr.: 02.098 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
© 2020 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 484
Bestell-Nr.: 170594
ISBN: 978-3-96870-484-5
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 4 des Zwischenberichts zu IGF-Vorhaben 19.960 N
Inhalt
1. Zusammenfassung .......................................................................................................... 3
2. Zusammensetzung des projektbegleitenden Ausschusses .............................................. 5
3. Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse ................................................. 6
4. Darstellung der durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnisse sowie deren Vergleich
mit den angestrebten Vorhabenszielen ................................................................................... 8
5. Verwendung der Zuwendung ......................................................................................... 20
6. Erläuterung der Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit .................. 20
7. Darstellung des wissenschaftlich-technischen und wirtschaftlichen Nutzens der erzielten
Ergebnisse ............................................................................................................................ 20
8. Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ................................................................... 22
j9. Einschätzung zur Realisierbarkeit des vorgeschlagenen und aktualisierten
Transferkonzepts .................................................................................................................. 24
10. Konferenzen, Ergebnispräsentationen sowie Publikationen ....................................... 25

Seite 6 des Zwischenberichts zu IGF-Vorhaben 19.960 N
3. Forschungsziel und angestrebte Forschungsergebnisse
Im Bereich der Analyse von Thermischen Beschichtungsprozessen ist festgestellt worden, dass
die Partikeltemperatur T p und die Partikelgeschwindigkeit v p wichtige Parameter für die Schichtherstellung
sind. Das Problem bei der Bestimmung dieser Kenngrößen ist, dass die vielen diagnostischen
Systeme zur Bestimmung von T p und v p unterschiedliche Resultate liefern. Daher ist
es angebracht diese Systeme zu vergleichen, Korrelationen zu erkennen und zu definieren, um
so eine mögliche eventuelle absolute Messung durchzuführen. Des Weiteren existieren bei den
kmU’s und der Industrie nur bedingt Ressourcen und Mittel zur Vermessung. Komplexe Bedienung
sowie mehrere Diagnostiken für Redundanz-Untersuchungen hemmen Investitionen zum
Kauf dieser Systeme. Speziell bei Diagnostiken spielt neben Kosten, Einsatzmöglichkeit, Komplexität,
Bedienbarkeit usw. vor allem die Frage eine Rolle, inwieweit diese die „wahren“ d.h. die
tatsächlichen realen Werte des jeweiligen Messobjektes bei Prozessabweichungen reproduzierbar
und hinreichend schnell wiedergibt, Abbildung 1. Vor diesem Hintergrund ist es realistisch,
dass die Ergebnisse verschiedener Messverfahren eine unterschiedliche Nähe zu den „wahren“
Werten des Messobjektes aufweisen. In der zweidimensionalen Temperatur- Geschwindigkeits-
Ebene liegen Messverfahren mit ihren Ergebnissen (entsprechend dem jeweiligen Verfahren sind
das Wertepaare v1-T1, v2-T2 usw.) näher oder entfernter zum „wahren“ Wertepaar v P-T P (Temperatur
und Geschwindigkeit) eines Teilchens. Somit können unterschiedliche systematische
Fehler bei den verschiedenen Diagnostiken auftreten. Zu diesem Fehlertyp kommen dann noch
unterschiedliche statistische Fehler hinzu, die sich in Abbildung 1 durch schmälere oder breitere
Verteilungen (hier jeweils mittels Gauß-Verteilung) darstellen lassen.
Abb. 1: Bestimmung des „wahren/realen“ Partikel-Wertepaares v-T (Geschwindigkeit-Temperatur)
bei der Analyse mit unterschiedlichen Diagnostiken beim thermischen Spritzen

Seite 7 des Zwischenberichts zu IGF-Vorhaben 19.960 N
Mit dem vorliegenden Forschungsantrag sollten die Ergebnisse aus der Partikeldiagnostik gegeneinander
verglichen werden. Dazu wurden Industriediagnostiken (AccuraSpray, SprayWatch,
NIR-Sensor) mit wissenschaftlichen Diagnostiken (LDA, PIV, DPV2000) bei der Detektion von
Partikel-Prozessabweichungen systematisch untersucht und getestet. Als Aussagekriterium, basierend
auf der klassischen Schichtanalyse, diente die Wiedergabe der Prozessstabilität, d.h. in
wie weit die Diagnostiken in der Lage sind Abweichungen schnell genug zu erkennen, sowie den
Messfehler bezüglich des „wahren“ Messwertpaars v-T zu minimieren.
Die unterschiedlichen physikalischen Messprinzipien (und somit unterschiedlichen Grenzen)
beim Erhalt der Messwerte müssen hierbei ebenfalls berücksichtigt werden. Daher ist es für die
kmU’s und die Industrie wichtig (die meist nur ein System zur Verfügung haben) zu wissen, wie
die Ergebnisse und Daten zu werten und zu interpretieren sind. Hierbei sollte eine Entscheidungsmatrix
existieren, die erlaubt, die vorhandenen Systeme in ein Preis-Leistungsverhältnis zu setzen,
um so den kmU’s und der Industrie mit Ihren finanziellen Mitteln ein Optimum zur Prozessanalyse/Prozessüberwachung
aufzuzeigen. Ferner sollten die „Prozessdiagnostiken“ (vorwiegend
bei kmU’s und Industrie vorhanden) mit den „Analysediagnostiken“ (vorwiegend bei den
Forschungsinstituten vorhanden), sowie einer erweiterten fundierten Schichtprüfung mit ihren Ergebnissen
um den „wahren“ Messwert (für die Geschwindigkeit v und die Temperatur T) verglichen
und analysiert werden. Um eine eventuelle Vergleichbarkeit der von den Diagnostik aufgenommenen
Werte für die Prozessoptimierung oder Prozessauslegung der kmU’s und Industrie
zu erhalten, mussten daher Untersuchungen in enger Zusammenarbeit von Forschungsinstituten
fokussiert auf die beiden wesentlichen Partikeleigenschaften (Temperatur und Geschwindigkeit)
bei Plasma-, Lichtbogendraht- und HVOF basierten Prozessen durchgeführt werden.

Seite 8 des Zwischenberichts zu IGF-Vorhaben 19.960 N
4. Darstellung der durchgeführten Arbeiten und erzielten Ergebnisse
sowie deren Vergleich mit den angestrebten Vorhabenszielen
Die Idee dieses Forschungsvorhabens war es, bekannte Mechanismen zur Detektion der Partikelgeschwindigkeit
und der Partikeltemperatur zu nutzen und durch die Kombination der beiden
Expertisen und experimentellen Ausstattungen der beiden Forschungsstellen mit Hilfe der beteiligten
kmU’s und Industrie in einen verwertbaren und zugänglichen Datenpool zu übertragen. Für
das Erreichen der wissenschaftlichen Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens wurden folgende
Teilziele definiert:
‣ Geschwindigkeitsdetektion, mit möglicher Temperaturdetektion mittels Detektor basierter
Diagnostiksysteme (DPV2000, AccuraSpray, NIR-Sensor)
• Einkathoden-DC-Plasmageneratoren
• Lichtbogendrahtspritzsysteme
• HVOF-Systeme
‣ Geschwindigkeitsdetektion mit möglicher Temperaturdetektion mittels Kamera basierter
Diagnostiksysteme (SprayWatch und AccuraSpray)
• Einkathoden-DC-Plasmageneratoren
• Lichtbogendrahtspritzsysteme
• HVOF Systeme
‣ Validierung und Überprüfung der Flugbahnen der Partikel mit der an beiden Forschungsstellen
vorhandenen etablierten wissenschaftlichen Systemen (z.B. LDA, VisiSizer) sowie
mit den Hochgeschwindigkeits-Kamera-Systemen
‣ Aufnahme der Schallemissionssignale und Korrelation zu den Partikelparameter die mit
dem DPV2000, AccuraSpray, SprayWatch und NIR-Sensor detektiert worden sind
‣ Neue Schallanalyse mittels Wavelets (Wavelet-Transformation) gekoppelt mit einer erweiterten
Überwachung der Schichtentstehung (Thermokamera, Hochgeschwindigkeitskamera,
Pyrometer) sowie einer anschließenden materialtechnischen Prüfung zur qualitativen
Einschätzung der Partikel-Diagnostik-System-Ergebnisse
‣ Schichtproben/Schliffbilder der entstehenden Schichten, Ermittlung der Porositäten,
Korrelation der Schichtanalyse mit der Partikel-Geschwindigkeits- und Temperaturdetektion
Als eine der großen Herausforderung waren die Justage und Adaption der jeweiligen unterschiedlichen
Systeme an den thermischen Spritzprozess zu sehen, um somit ein möglichst gleichzeitiges
Messen der Partikel-Geschwindigkeits- und Partikel-Temperaturkomponente zu ermöglichen.
Hierbei wurden zusätzliche Aufbauten, Kalibrier-Einheiten zur Positionsbestimmung der
einzelnen Systeme zueinander und geeignete Datentransfermöglichkeiten gefunden. Eine weitere
Herausforderung in den Messkampagnen der antragsstellenden Forschungspartner und den
beteiligten kmU’s sowie der Industrie bei der Geschwindigkeitsdetektion war die Anpassung der
Mess-Systeme an die jeweiligen räumlichen Gegebenheiten, sowie die durch Corona bedingte
Ausfälle der Zugänglichkeit und der Terminabsprachen. Ein enger Kontakt mit dem PbA-Ausschuss
und den jeweiligen Industriepartnern über die individuelle Parameterstudie war deshalb