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

 

Langfristiges Ziel des HSI4AM-Projekts ist es, die Lebensdauer von Pulvern für die generative Fertigung zu erhöhen und damit die Ressourceneffizienz der generativen Fertigung bei gleichzeitiger Senkung der Produktionskosten und Sicherstellung einer hohen Qualität der hergestellten Bauteile zu steigern. Zu diesem Zweck soll untersucht werden, ob eine schnelle und berührungslose Vorhersage bestimmter relevanter Pulvereigenschaften mit Hilfe der Hyperspektralen Bildgebung (HSI) und dem Einsatz von Methoden des maschinellen Lernens möglich ist. Zu den zu untersuchenden Eigenschaften gehören rheologische, morphologische und chemische Eigenschaften der Pulver. Darüber hinaus wird ein "Powder Information Management System" (PIMS) zur zentralen Speicherung aller relevanten Pulvereigenschaften und Metadaten eingerichtet.

Pulver-Prozess Interaktionen

 

Die umfassende Charakterisierung von Pulver spielt bei der additiv generativen Fertigung (AGF) eine entscheidende Rolle. In der metallpulverververarbeitenden Industrie ist die umfassende Pulvercharakterisierung eine wichtige Voraussetzung für die Verarbeitbarkeit und ein wichtiger Bestandteil der Qualitätssicherung. Trotz der Bemühungen der Pulverhersteller, reproduzierbare Pulver zur Verfügung zu stellen, können selbst minimale Prozessabweichungen zu Veränderungen der Pulvereigenschaften führen und damit die Verarbeitbarkeit beeinflussen. Dies stellt eine besondere Herausforderung bei der Verarbeitung von Metallpulvern in pulverververarbeitenden additiven Fertigungsverfahren wie dem düsenbasierten Laser-Pulverauftragschweißen (LMD) und den Pulverbettverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Electron Beam Melting (EBM) dar.
Die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren hängt wesentlich von den spezifischen Pulvereigenschaften ab. Diese beeinflussen hauptsächlich die Morphologie, Chemie und Rheologie des Pulvers. Neben den werkstoffimmanenten Eigenschaften (mechanische Eigenschaften, Reaktivität) wird auch die Leistung des Endbauteils weitgehend von den Pulvereigenschaften beeinflusst (siehe Abbildung 1). Aus diesem Grund müssen auch die verwendeten Pulver vor dem Einsatz einer Charakterisierung unterzogen werden, um reproduzierbare Prozessergebnisse zu gewährleisten.
Das Zusammenspiel der Faktoren der Pulvereigenschaften bestimmt die "Qualität" des Pulvers im Hinblick auf die Verarbeitung mit additiven Herstellungsverfahren. Dies erfordert eine detaillierte Charakterisierung der Pulver in Bezug auf Morphologie, Rheologie und Chemie.

Abbildung 1: Interaktionen zwischen Pulver und Prozess

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

 

Die hyperspektrale Bildgebung ist eine Technologie zur schnellen und vollständigen Messung der spektralen Eigenschaften großer Probenoberflächen. Sie ermöglicht damit die ortsaufgelöste Erfassung der chemischen und morphologischen Eigenschaften der zu untersuchenden Probe. Typische HSI-Systeme arbeiten als Zeilenkameras (siehe Abbildung 2).

 

 

 

Abbildung 2: HSI-System

 

Bislang sind keine industriellen Implementierungen der HSI in der additiven Fertigung und in verwandten Technologiebereichen bekannt. Lediglich auf dem Gebiet des Laserstrahlschmelzens gibt es Untersuchungen zur Anwendung der hyperspektralen Bildgebung, wobei sich diese auf die Bestimmung der Schmelzbadtemperatur und -größe beschränken.

Auch die Charakterisierung von AGF-Pulverwerkstoffen durch HSI ist in der Literatur noch nicht beschrieben. In der Regel wird die Charakterisierung von AGF-Pulvern mit aufwendigen Offline-Methoden durchgeführt. Eine kontinuierliche Überwachung der Pulverqualität während des Produktionsprozesses findet nicht statt. Es ist derzeit völlig unklar, ob bzw. inwieweit durch HSI zusätzliche Informationen generiert werden können und inwieweit diese Informationen dann vorteilhaft für die Charakterisierung von Pulverwerkstoffen genutzt werden können. Erste Vorversuche zeigen jedoch, dass sowohl Informationen über morphologische Eigenschaften als auch über chemische Veränderungen gewonnen werden könnten.

Pulverinformationsmanagementsystem

 

Im Zuge der Charakterisierung eines Pulvers wird während seines Lebenszyklus eine große Menge verschiedener Daten aufgezeichnet. Die Digitalisierung der durch Pulvercharakterisierungsmethoden aufgezeichneten Werte kann dazu verwendet werden, ein digitales Bild (Digital Twin) des Pulvers während seines Lebenszyklus zu erstellen.
Im Projekt sollen umfangreiche Daten zu den Eigenschaften, der Geschichte und den Prozessdaten der untersuchten Pulver erfasst und im PIMS gespeichert werden. Dadurch wird der Vergleich und die Verknüpfung der Pulverdaten ermöglicht, und statistische Methoden können auf die Daten angewendet werden.

Abbildung 3: Pulverinformationsmanagementsystem (PIMS)

Ansatz zur Pulverqualifizierung

 

Die gesammelten Daten aus der Pulvercharakterisierung und den hyperspektralen Messungen werden zum Training des Vorhersagemodells verwendet. Das Ziel ist es, statistische Korrelationen zwischen den hyperspektralen Messungen und den Pulvereigenschaften zu finden. Nach dem Training und der Validierung der gefundenen Modelle können diese zur Vorhersage der Eigenschaften neuer Pulverproben verwendet werden. Im Idealfall bietet dies die Möglichkeit, Pulvereigenschaften schnell, berührungslos und inline abzuschätzen und damit die Pulverqualität zu überwachen.

 

Abbildung 4: Pulverqualifizierung