Qualitätssicherung mit QMmeltpool 3D

In-situ-Überwachung des Schmelzbades mit QMmeltpool 3D: Eine Photodiode und eine Kamera überwachen koaxial durch die Optik des Lasers positionsgenau das Schmelzbad hinsichtlich Fläche und Intensität.

Die In-situ-Prozessüberwachung zählt zu den strategischen Technologiefeldern von Concept Laser, welche der Anlagenbauer nun um das QMmeltpool 3D zur dreidimensionalen Echtzeitüberwachung erweitert. Das LaserCUSING-Verfahren ist aufgrund hoher Scan-Geschwindigkeiten und hoher Laserleistungen ein sehr dynamischer Prozess, welcher durch verschiedenste Prozessfaktoren beeinflusst wird. In anspruchsvollen Branchen, wie z. B. Medizintechnik, Automotive, sowie Luft- und Raumfahrt, gelten strikte Sicherheits- und hohe Qualitätsanforderungen. QMmeltpool 3D liefert in Echtzeit qualitätsrelevante Daten zur Prozessüberwachung und – dokumentation. Das System erfasst positionsbezogene Charakteristika des Schmelzbades während der Entstehung des Bauteils. Diese Daten können in einer dreidimensionalen Landkarte visualisiert und vom Anwender analysiert werden. Nach Auskunft des Herstellers ist das Analyse-Tool mit der HD-Auflösung der Computer-Tomografie (CT) vergleichbar.

Konventionelle Ex-situ-Überwachung mittels Kamera.

Schmelzbadfläche und Schmelzbadintensität

Das QMmeltpool-System detektiert Schmelzbademissionen, welche während des Aufschmelzvorgangs in Form von Strahlung im infraroten Bereich entstehen, mit koaxialen Sensoren. Der koaxiale Aufbau ermöglicht die Beschränkung auf eine kleine „Region of Interest“ mit einer hohen lokalen Auflösung bei großen Abtastraten (je nach Detektortyp bis zu 50 kHz). Diese Schmelzbadüberwachung ermittelt zwei Kenngrößen: die Schmelzbadfläche und die Schmelzbadintensität. Diese Kenngrößen können entsprechenden Prozessfehlern zugeordnet werden. Zum Beispiel kann eine geringe Schmelzbadintensität auf eine zu geringe Laserleistung oder eine zu hohe Scan-Geschwindigkeit, d. h. einen zu geringen Energieeintrag, hinweisen. Änderungen in der Fläche des Schmelzbades können außerdem ein Hinweis auf eine Variation des Sauerstoffgehaltes in der Prozesskammer sein. Da die Bauteilgeometrie ebenfalls Auswirkungen auf die thermischen Verhältnisse im Prozess hat, sind Referenzproben sowie ein hohes Maß an Prozessverständnis notwendig, um die Veränderung der Daten während des Prozesses richtig zu deuten und zu analysieren. In einer 2D-Schmelzbadüberwachung werden die Signale als Mittelwerte pro Bauteil und pro Schicht geliefert. Diese 2D-Sichtweise ermöglicht eine eingeschränkte Interpretation lokaler Fehlerstellen.

Aus QMmeltpool wird QMmeltpool 3D: Positionsbezogene Analyse des Entstehungsprozesses jedes Bauteils – lokale Effekte werden beim Bauteilaufbau erkannt.

Aus QMmeltpool wird QMmeltpool 3D

Die bisherige, zeitbezogene 2D-Überwachung des Bauprozesses wird zur positionsbezogenen 3D-Landkarte. Statt ausschließlich zeitbezogener Daten liefert das System nun, der Computer-Tomografie (CT) vergleichbar, zusätzlich positionsbezogene Signale zur eindeutigen Zuordnung. Diese Signale ermöglichen die Generierung von 3D-Datensätzen des Bauteils bzw. dessen Aufbaus. Damit entsteht eine sehr genaue 3D-Landkarte des Bauteils. Im Detail bedeutet dies die Ermittlung charakteristischer Eigenschaften des Schmelzbades. Dazu zählt die Fläche und Intensität des Schmelzbades, welche mittels zweier Detektoren, Kamera und Photodiode, mit hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung untersucht werden kann. Im Anschluss werden diese Signale mit den entsprechenden Positionsdaten des Lasers korreliert. Dieser Abgleich ist der eigentliche Clou von QMmeltpool 3D: Schmelzbadsignale, wie Schmelzbadfläche und Schmelzbadintensität, können so direkt nach dem Abschluss des Bauprozesses dreidimensional visualisiert und ausgewertet werden. Der Anwender kann den Entstehungsprozess jedes Bauteils positionsbezogen nachvollziehen. Lokale Effekte beim Bauteilaufbau kann er nun besser erkennen und analysieren.

Effekte durch Variation der Laserleistung am Beispiel des Kabinenhalter „Bracket“ des Airbus A350 XWB der Airbus Operations GmbH: Der Defekt ist optisch nicht erkennbar, wird aber durch die Prozessdaten von QMmeltpool 3D erschlossen (links das Bauteil mit Standard-Leistung, rechts das Bauteil mit geringer Laserleistung).

Auf den Punkt genau mit dem On-axis-Ansatz

Der neue Ansatz basiert auf einer Erweiterung der 2D-Inspektion in den 3D-Raum, mit einer koordinatenbezogenen Datenerfassung der Schmelzbadwerte. Zur Beurteilung der neuen Methode von QMmeltpool 3D kann man sich die aktuellen QS-Ansätze am Markt anschauen. Klassische Off-axis-Inspektionen weisen eine geringere Auflösung und eine niedrigere Erfassungsrate auf. Zum Einsatz kommt beispielsweise eine infrarot-sensitive Kamera, welche außerhalb der Prozesskammer – also Ex-situ – positioniert ist. Vorteil dieser Ex-situ-Lösung ist die einfache Systemintegration von Anlage und Kamerasystem.

Ein Off-axis-Aufbau ermöglicht Aussagen über das gesamtheitliche Aufschmelz- und Abkühlverhalten. Eine detaillierte Aussage über das Schmelzbad ist jedoch nicht ableitbar. Der On-axis-/In-situ-Aufbau beruht auf einer koaxialen Anordnung der Detektoren. Als Detektoren kommen eine Kamera und eine Photodiode zum Einsatz, die dieselbe Optik nutzen, wie der Laser. Diese koaxiale Integration ermöglicht eine hohe koordinatenbezogene 3D-Auflösung von 35 µm. Die Erkennungsrate ergibt sich aus der Scan-Geschwindigkeit. Liegt diese bei 1.000 mm/s so ergibt sich 100 µm, also die Distanz, für die je eine Aufnahme erzeugt wird. Bei 2.000 mm/s liegt der Wert bei 200 µm. Die Abtastrate der Kamera gibt Concept Laser mit >10 kHz und 50 kHz für die Photodiode an. Die koaxiale Anordnung hat den Vorteil, dass die Schmelzbademissionen stets auf einen Punkt der Detektoren fokussiert, der Bildausschnitt verkleinert und somit auch die Abtastrate erhöht werden können. Eine detaillierte Analyse der Schmelzbadcharakteristika ist so möglich.

Darstellung QMmeltpool 3D: Kabinenhalter „Bracket“ des Airbus A350 XWB der Airbus Operations GmbH mit Standard-Leistung (links) und reduzierter Laserleistung (rechts).

Mögliche Fehlerquellen beim Laserschmelzen

Defekte, welche beim Laserschmelzen entstehen, sind auf verschiedene Einflussfaktoren zurückzuführen: Beispiele sind Scan-Geschwindigkeit oder Laserleistung. Prozessfehler können zum Beispiel durch zu geringe oder zu große Scan-Geschwindigkeiten entstehen, die einen zu großen oder zu geringen Energieeintrag auslösen. Ein zu geringer Energieeintrag im Pulverbett führt z. B. zu nicht aufgeschmolzenem Pulver in Form von unregelmäßig geformten Poren. Ist der Energieeintrag zu hoch, können Gasinklusionen entstehen, welche regelmäßig runde geformte Poren in Schliffbildern aufweisen.

Auch der Prozessgasstrom, der Werkstoff und viele weitere Faktoren können Einfluss auf Prozess und Bauteilgüte nehmen. In-situ-Überwachungssysteme können, dank hoher Auflösung und Abtastraten (je nach Scan-Geschwindigkeit alle 0,1 mm) Prozesscharakteristika in Echtzeit detektierten. In-situ-Überwachungssysteme liefern deshalb einen wichtigen Beitrag, um Prozessfehler frühzeitig zu erkennen und zukünftig zu vermeiden. Es ist für den Anwender ein Werkzeug zur Optimierung des Prozesses.

Möglichkeiten und Grenzen

Den QS-Aufwand minimieren und Zeitvorteile nutzen, sind die Effekte von QMmeltpool 3D. QMmeltpool 3D kann lokale Hinweise auf fehlerhafte Stellen im Bauteil liefern. Nachgelagerte Prüfungen und Tests könnten somit minimiert werden. Zudem stehen die Daten unmittelbar nach Bauprozess zur Verfügung, sodass sich auch Einsparungen in zeitlicher Hinsicht ergeben. Eine Fehlerbehebung während des Bauprozesses ist durch QMmeltpool 3D nicht möglich. Aufgrund der Vielzahl der Einflussfaktoren, die Fehler im Bauprozess bzw. am Bauteil bedingen können und der hohen Dynamik des Prozesses, stellt die Entwicklung eines selbstkorrigierenden Regelkreises eine große Herausforderung dar.

Ausblick

Der praktische Mehrwert der dreidimensionalen Visualisierung mit QMmeltpool 3D ist aber nicht nur ein originäres Mittel zur aktiven Qualitätssicherung. In Fertigung und Prozessentwicklung können Bauteiljobs durch iterative Variation der Parameter optimiert werden. Es können Supportstrukturen angepasst und vor allem die vorgelagerte Bauteilkonstruktion fertigungsgerechter ausgelegt werden. Nicht zuletzt bieten sich neue Möglichkeiten in der Materialforschung und der Validierung von Werkstoffen. Im Jahr 2016 soll das Qualitätsmodul für die Anlagen M1 cusing und M2 cusing zur Verfügung stehen.

Messe formnext: Halle 3.1, Stand E40