Technologievorhaben

HSI4AM

Grafik: HSI4AM

 

 

Gesamtziel:

Hyperspektrale Bildgebung zur prozessspezifischen Qualifizierung von Pulvern für das Selective Laser Melting

Partner:

Laufzeit: 01.11.2019 - 31.10.2021

Gesamtziel

 

Das langfristige Ziel des Projekts HSI4AM ist es, die Lebenszeit von Pulvern für die Generative Fertigung zu erhöhen und dadurch die Ressourceneffizienz der Generativen Fertigung zu steigern, gleichzeitig die Produktionskosten zu senken und trotzdem eine hohe Qualität der erzeugten Bauteile zu gewährleisten. Dafür soll untersucht werden, ob eine schnelle und berührungslose Vorhersage bestimmter, relevanter Pulvereigenschaften mittels Hyperspektraler Bildgebung (HSI) und der Verwendung von Methoden des maschinellen Lernens möglich ist. Zu den zu untersuchenden Eigenschaften gehören rheologische, morphologische und chemische Charakteristika der Pulver. Außerdem soll ein „Pulverinformationsmanagementsystem“ (PIMS) zur zentralen Speicherung aller relevanter Pulvereigenschaften und Metadaten aufgebaut werden.


Konkret soll im Projekt Inconel 718 Pulver aus unterschiedlichsten Abschnitten seines Lebenszyklus entnommen und hinsichtlich Rheologie, Morphologie und chemischer Eigenschaften umfangreich charakterisiert werden. Zusätzlich erfolgt die Untersuchung mittel unterschiedlicher Methoden der hyperspektralen Bildung. Mit den erhaltenen Daten werden anschließend Vorhersagemodelle trainiert und validiert.

Pulver-Prozess-Wechselwirkungen

 

Die umfassende Charakterisierung von Pulver spielt in der Additiv-Generativen-Fertigung (AGF) eine entscheidende Rolle. In der metallischen Pulver verarbeitenden Industrie ist eine umfassende Charakterisierung der Pulver eine wichtige Voraussetzung für die Verarbeitbarkeit und ein wichtiger Teil der Qualitätssicherung. So kann es bei Pulverherstellern trotz der Bemühungen reproduzierbare Pulver bereitzustellen, bereits durch minimale Prozessesabweichungen zu Änderungen der Pulvereigenschaften und damit zur Beeinflussung der Prozessierbarkeit kommen. Dies stellt im gesonderten Maße eine Herausforderung in der Prozessierung von Metallpulvern in pulververarbeitenden additiven Fertigungsverfahren, wie dem düsenbasierten Laser-Pulver-Auftragschweißen (LMD) und den Pulverbettverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Electron Beam Melting (EBM) dar.
Die Performance dieser Prozesse hängt maßgeblich von den spezifischen Pulvereigenschaften ab. Diese berühren hauptsächlich die Pulvermorphologie, -chemie und -rheologie. Neben den materialimmanenten Eigenschaften (mechanische Eigenschaften, Reaktivität) wird die Performance des finalen Bauteils auch zu großen Teilen von den Pulvereigenschaften beeinflusst (siehe Abbildung). Deswegen müssen auch die eingesetzten Pulver zur Sicherung eines reproduzierbaren Prozessergebnisses vor der Verwendung einer Charakterisierung unterzogen werden.
Das Zusammenwirken der Faktoren der Pulvereigenschaften bestimmt die „Qualität“ des Pulvers in Bezug auf die Verarbeitung mit additiven Fertigungsverfahren. Dazu ist eine ausführliche Charakterisierung der Pulver in Bezug auf die Morphologie, Rheologie und Chemie notwendig.

Abbildung 1: Wechselwirkungen zwischen Pulver und Prozess

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

 

Die hyperspektrale Bildgebung ist eine Technologie für die schnelle und vollständige Messung von spektralen Eigenschaften großer Probenoberflächen. Sie ermöglicht damit die ortsaufgelöste Erfassung der chemischen und morphologischen Eigenschaften der untersuchten Probe. Typische HSI-Systeme arbeiten als Zeilenkameras (vgl. Abbildung 2).

 

 

 

Abbildung 2: HSI-System

 

In der generativen Fertigung und angrenzenden Technologiebereichen sind bislang keine industriellen Umsetzungen des HSI bekannt. Lediglich im Bereich des Laserstrahlschmelzens gibt es Untersuchungen zur Anwendung der hyperspektralen Bildgebung wobei sich diese lediglich auf die Bestimmung der Schmelzbadtemperatur und -größe beschränken.

Auch die Charakterisierung von AGF-Pulvermaterialien durch HSI ist in der Literatur noch nicht beschrieben wurden. Üblicherweise wird die Charakterisierung von AGF-Pulvern durch aufwändige offline Methoden durchgeführt. Eine kontinuierliche Überwachung der Pulverqualität während des Produktionsprozesses findet nicht statt. Derzeit ist völlig ungeklärt, ob bzw. in welchem Maße zusätzliche Information durch HSI generiert werden kann und inwieweit diese dann vorteilhaft für die Charakterisierung der Pulvermaterialien eingesetzt kann. Erste Vorversuche zeigen allerdings, dass sowohl Informationen über die morphologischen Eigenschaften als auch über chemische Veränderungen gewonnen werden könnten.

Pulverinformationsmanagementsystem

 

Im Zuge der Charakterisierung eines Pulvers wird im Laufe seines Lebenszyklus eine hohe Anzahl an verschiedenen Daten aufgenommen. Die Digitalisierung der durch Pulvercharakterisierungsverfahren aufgenommenen Werte kann dazu genutzt werden, um ein digitales Abbild (digitaler Zwilling) des Pulvers im Laufe seines Lebenszyklus aufzubauen.
Im Projekt sollen umfangreiche Daten über Eigenschaften, Vorgeschichte und Prozessdaten der untersuchten Pulver erfasst und im PIMS gespeichert werden. Dadurch werden der Vergleich und die Verknüpfung der Pulverdaten möglich und es können statistische Verfahren auf die Daten angewendet werden.

Abbildung 3: Pulverinformationsmanagementsystem

Ansatz zur Pulverqualifizierung

 

Die gesammelten Daten aus der Pulvercharakterisierung und den hyperspektralen Messungen sollen Vorhersagemodell trainiert werden. Ziel ist es statistische Zusammenhänge und Korrelationen zwischen den hyperspektralen Messungen und den Pulvereigenschaften zu finden. Nach dem Training und der Validierung der gefundenen Modelle, können diese für die Vorhersage der Eigenschaften neuer Pulverproben eingesetzt werden. Idealerweise ergibt sich dadurch die Möglichkeit, Pulvereigenschaften schnell, berührungslos und inline abzuschätzen und dadurch die Pulverqualität überwachen zu können.