Unerwartete Mängel haben den Fortschritt der laserbasierten additiven Fertigung, bei der Metallobjekte mithilfe von Pulvern und Lasern dreidimensional gedruckt werden können, oft behindert. Herkömmliche Überwachungsmethoden wie Wärmebildkameras und maschinelle Lernalgorithmen leiden unter erheblichen Einschränkungen. Sie übersehen häufig bestimmte Defekte oder interpretieren sie falsch, was die Präzisionsfertigung behindert und verhindert, dass wichtige Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie von dieser Technologie profitieren können. Was wäre, wenn es möglich wäre, Fehler in Echtzeit zu erkennen, indem man die Unterschiede zwischen den Geräuschen des Druckers bei einem perfekten Druck und einem Druck mit Unregelmäßigkeiten berücksichtigt? Bisher hielten Experten eine solche Erkennungsmethode für unzuverlässig. Forscherinnen und Forscher des Laboratoriums für thermomechanische Metallurgie (LMTM) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben diese Annahme in Frage gestellt.
Die Durchführbarkeit und Wirksamkeit der akustischen Überwachung der laserbasierten additiven Fertigung war bislang Gegenstand einer Debatte. Unsere Studien bestätigen ihre Relevanz und heben ihre Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden hervor
Roland Logé, der Direktor des Laboratoriums für thermomechanische Metallurgie (LMTM)
Wie funktioniert die LPBF-Fertigung?
Die LPBF-Fertigung ist ein bahnbrechendes Verfahren, das die Herstellung von Metallprodukten grundlegend verändert. Dabei werden winzige Metallpulverpartikel mithilfe eines hochintensiven Lasers geschmolzen, um dreidimensionale, mehrschichtige Metallobjekte zu erzeugen. LPBF ist die metallische Version des herkömmlichen 3D-Drucks, nur dass sie noch raffinierter ist. Ohne geschmolzenen Kunststoff wird eine mikroskopisch dünne Schicht aus Metallpulver verwendet, die von der Dicke eines menschlichen Haares bis zu einem winzigen Salzkorn (15.100 um) reicht. Der Laser bewegt sich über die Schicht, um auf der Grundlage einer digitalen Blaupause spezifische Muster durch Verschmelzen zu erzeugen. Mit dieser Technik lassen sich einzigartige komplexe Teile wie Gitterstrukturen oder unverwechselbare Geometrien herstellen, wobei Verluste und Verschnitt auf ein Minimum reduziert werden. Diese vielversprechende Methode ist jedoch mit einigen Schwierigkeiten verbunden.Metallpulver bewegt sich unter dem Einfluss des Lasers zwischen seinen flüssigen, gasförmigen und festen Phasen, wodurch ein so genanntes Schmelzbad entsteht. Es kann vorkommen, dass der Prozess aufgrund von Variablen wie dem Winkel des Lasers oder dem Vorhandensein bestimmter geometrischer Attribute im Pulver oder im Werkstück fehlschlägt. Diese Probleme, die als "Interregime-Instabilitäten" bezeichnet werden, können manchmal zu Übergängen zwischen zwei Schmelzmodi führen, dem "Conduction"- und dem "Keyhole"-Regime. Bei instabilen Keyhole-Regimen erzeugt geschmolzenes Pulver, das tiefer als vorgesehen in das Werkstück eindringt, poröse Hohlräume, die sich zu strukturellen Defekten im Endprodukt entwickeln können. Um die Messung der Breite und Tiefe der Schmelze anhand von Röntgenbildern zu erleichtern, hat der Bildanalyse-Hub des Imaging Centers der EPFL einen Ansatz entwickelt, der die Visualisierung kleiner Veränderungen in Verbindung mit flüssigem Metall erleichtert, sowie ein Werkzeug, mit dem die Konfiguration der Schmelze kommentiert werden kann.
Akustische Erkennung dieser Defekte
Im Rahmen eines Joint Ventures zwischen dem Paul Scherrer Institut (PSI) und der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) entwickelte das Team der EPFL ein experimentelles Konzept, das Experimente mit Operando-Radiographie mit Messungen der akustischen Emissionen kombiniert. Die Experimente wurden an der TOMCAT-Beamline an der Swiss Light Source des PSI mit dem miniaturisierten LPBF-Drucker durchgeführt, der in der Gruppe von Steven Van Petegem entwickelt wurde. Durch Amalgamierung mit einem extrem empfindlichen Mikrofon, das in der Druckkammer positioniert wurde, konnten deutliche Verschiebungen im akustischen Signal während der Übergänge zwischen den Regimen lokalisiert und somit Fehler während der Herstellung direkt identifiziert werden.Ein entscheidender Meilenstein des Projekts war die Einführung einer adaptiven Filtertechnik durch Giulio Masinelli, einem Experten für Signalverarbeitung an der Empa. Masinelli betont: "Dieser Filteransatz ermöglicht es uns, die Beziehung zwischen Defekten und der sie begleitenden akustischen Signatur mit bisher unerreichter Klarheit zu verstehen." Im Gegensatz zu herkömmlichen maschinellen Lernalgorithmen, die hervorragend sind, wenn es darum geht, die Struktur statistischer Daten zu extrahieren, die aber eher darauf kalibriert sind, mit bereits gut bekannten Situationen umzugehen, bietet dieser Ansatz ein breiteres Verständnis der Physik von Fusionsregimen und gleichzeitig eine höhere zeitliche und räumliche Genauigkeit.
Mit diesem Forschungsprogramm bereichert die EPFL die laserbasierte additive Fertigung mit wertvollen Erkenntnissen. Die Schlussfolgerungen sind mit bedeutenden Konsequenzen für potenzielle industrielle Anwendungen verbunden, insbesondere in der Luftfahrt und der Feinmechanik. Die Studie stärkt den Ruf der Schweiz für sorgfältiges Know-how und präzise Fertigung und unterstreicht die Bedeutung konsistenter Fertigungsprozesse. Darüber hinaus unterstreicht sie das Potenzial einer frühzeitigen Fehlererkennung und -korrektur für eine höhere Produktqualität. Professor Logé kommt zu dem Schluss, dass "dieses Forschungsprogramm die Grundlage für ein besseres Verständnis und eine Verbesserung des Herstellungsprozesses schafft, die langfristig zu einer höheren Produktzuverlässigkeit führen wird".
