In-situ Überwachung eines selektiven Laserschmelz-Prozesses

Abstract

Das selektive Laserschmelzen stellt ein Verfahren mit großem Zukunftspotential im Bereich der additiven Fertigung von metallischen Komponenten dar. Obwohl das SLM-Verfahren Gegenstand zahlreicher Untersuchungen ist, sind nach wie vor Herausforderungen zu meistern, um dieses Fertigungsverfahren wirtschaftlich und prozesssicher in einem großen Maßstab zur Anwendung zu bringen. Wie bei jedem Fertigungsverfahren sollen defekte Bauteile so gut wie möglich vermieden werden. Typische Bauteildefekte beim SLM-Verfahren sind Porosität, Heißrisse oder eine ausgeprägte Anisotropie, die alle mit der Temperatur im Bauteil in Zusammenhang gebracht werden können. Aus diesem Grund soll in dieser Arbeit der Temperaturverlauf des Bauteils aufgrund der vom Laser eingebrachten Energie näher beleuchtet werden. Obwohl die Temperaturverhältnisse im Bauteil mehrfach mithilfe von numerischen Simulationen untersucht wurden, liegen keine real am Bauteil gemessenen Temperaturdaten vor. Mithilfe eines geeigneten Versuchsaufbaus, der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und gefertigt wurde, sollen Temperaturdaten im Bauteil unterhalb der Wirkstelle des Laser aufgezeichnet und ausgewertet werden. Die vorliegende Arbeit ist in einen theoretischen und einen praktischen Teil gegliedert Im theoretischen Teil werden anhand einer Literaturrecherche grundlegende Begriffe und Zusammenhänge beim selektiven Laserschmelzen betrachtet. Der Fokus liegt dabei auf der Laserquelle, den Werkstoff- und Prozessparametern und der Bearbeitungsstrategie. Eine Übersicht über typische Bauteildefekte und deren Zustandekommen bildet den Abschluss des theoretischen Teils. Der praktische Teil der Arbeit umfasst die Entwicklung und Konstruktion des Messaufbaus für das Aufzeichnen von Temperaturdaten im Bauteil während des Bauprozesses. Die grafische Aufbereitung und Auswertung soll Optimierungspotentiale aufzeigen und eine Basis für weiterführende Untersuchungen bilden. Das Aufzeichnen der Temperaturdaten erfolgt mit einem eigens entwickelten Versuchsaufbau. Aufgrund der speziellen Anforderungen die sich aus der exponierten Lage im Pulverbett ergeben, war es erforderlich, einen mechanischen Aufbau sowie eine geeignete Messkette zu entwickeln, da für diese Messaufgabe keine Lösungen am Markt existieren. Es konnte ein batteriebetriebenes Messsystem mit PT-1000 Messwiderständen und einer nachgeschalteten Auswerteelektronik identifiziert werden. Für die Analog-Digitalwandlung und das Abspeichern der Messdaten konnte eine Lösung mit handelsüblichen Mikrocontrollern erarbeitet werden. Die Auswertung der Messdaten liefert neue Erkenntnisse über die Temperaturverteilung und den Temperaturverlauf. Es konnte unter anderem eine Asymmetrie der Wärmeeinflusszone sowie prägnante Aufheiz- und Abkühlphasen nachgewiesen und eine Analyse der Heizleistung erstellt werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden konkrete Vorschläge erarbeitet, um den Temperaturverlauf über den Bauprozess möglichst gleichmäßig zu gestalten.

Selective laser melting represents a process with great future potential in the field of additive manufacturing of metallic components. Although the SLM process has been the subject of numerous investigations, challenges still have to be overcome in order to apply this manufacturing method economically and process-safe on a large scale. As with any manufacturing process, defective components should be avoided as far as possible. Typical component defects in the SLM process are porosity, hot cracks or a pronounced anisotropy, all of which are related to the temperature in the component. For this reason, the temperature profile of the component should be examined more closely which is based on the energy introduced by the laser. Although the temperature conditions in the component have been investigated several times using numerical simulations, no temperature data actually measured on the component is available. With the help of a suitable experimental setup, which was developed and manufactured within the scope of this work, temperature data below the point of action of the laser are to be recorded and evaluated.The present work is divided into a theoretical and a practical part. In the theoretical part of the work, basic terms and interrelationships in selective laser melting are examined in more detail on the basis of a literature search. The focus is on the laser source, the material and process parameters and the processing strategy. An overview of typical component defects and their occurrence concludes the theoretical part. The practical part of the work includes the development and construction of the measurement setup for recording temperature data in the component during the construction process. The graphical preparation and evaluation is to show optimisation potentials and form a basis for further investigations. The recording of the temperature data is carried out with a specially developed test set-up. Due to the special requirements resulting from the exposed position in the powder bed, it was necessary to develop the mechanical structure and a suitable measuring chain, as no solutions for this measuring task exist on the market. A battery-powered measuring system with PT-1000 temperature resistors and downstream evaluation electronics could be identified. For the analogue-digital conversion and the storage of the measurement data a solution with commercially available microcontrollers could be developed. The evaluation of the measurement data provides new information about the temperature distribution and the temperature profile over time. Among other things, an asymmetry of the heat-affected zone as well as concise heating and cooling phases could be shown and an analysis of the heating power could be made. Based on these results, concrete proposals were developed in order to make the temperature curve as uniform as possible throughout the construction process.