Überwachung und qualitätssicherung von anlagen zur additiven … · 2016. 7. 1. · • synonyme:...

FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH

Überwachung und Qualitätssicherung von Anlagen zur

additiven Fertigung mit Fokus auf LSS Verfahren

Erfahrungsaustausch-Runde zum Themenbereich Additive Fertigung

Christoph Ackerl, MSc

Allgemeine Informationen

Forschungsunternehmen der Fachhochschule Wiener Neustadt

Gründungsjahr: 1998

Angestellte: 35

Betriebsleistung: 2 Mio. EUR

Gegenwärtig über 25 nationale und internationale F&E Vorhaben

ISO 9001:2008 zertifiziert seit Oktober 2011

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Fachhochschule Wiener Neustadt

Gründungsjahr: 1994

Anzahl StudentInnen (2014): 3.200

Anzahl AbsolventInnen (2014): 6.300

Standorte: Wiener Neustadt, Wieselburg und Tulln

Studienprogramme: Wirtschaft, Technik, Gesundheit, Sicherheit und Sport

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FOTEC Geschäftsbereiche

AerospaceEngineering

(AE)

IonenemitterWasserstoffspeicher

EnergiekonverterAntriebssysteme

EngineeringTechnologies

(TEC)

PulverspritzgießenGenerative Fertigung

InnovativeSoftware Systems

(BISS)

Softwareentwicklung(Windows, Android,

iOS, Web)

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− Generative Fertigungsverfahren

− Laserstrahlschmelzen (LSS)

− Design Rules beim LSS

− Notwendigkeit der Qualitätsüberwachung

− Methoden der Qualitätssicherung beim LSS

− Qualitätssicherung bei FOTEC

− Qualitätssicherung der Anlagenhersteller

− Zusammenfassung & Ausblick

Inhalt

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Quelle: Gabriela Buchfink. Werkzeug Laser – Ein Lichtstrahl

erobert die industrielle Fertigung. Vogel Buchverlag,

Würzburg, 2006.

Definition

• Generative Fertigungsverfahren beruhen auf dem Schichtbauprinzip

Bauteil entsteht Schicht für Schicht

• Synonyme: Additive Fabrication, Additive Processes, Additive Techniques, Additive

Layer Manufacturing, Freeform Fabrication

• Additives Fertigungsverfahren

Bauteilgeometrie und Stoff-

eigenschaften entstehen simultan

während des Herstellungsprozesses

Generative Fertigungsverfahren

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Quelle: Andreas Gebhardt. Generative Fertigungsverfahren. Hanser Verlag, 2007.

Definition

• Laut VDI 3405 wird der hier vorliegende Fertigungsprozess als LSS

(Laserstrahlschmelzen) bzw. LBM (Laser Beam Melting) bezeichnet.

• Bezeichnung laut EOS: DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

Laserstrahlschmelzen

7

Quelle: FOTEC

Quelle: EOS GmbH – Electro Optical Systems. Technologieübersicht. 2008.

Anwendungsbereiche


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Quelle: Mike Shellabear, Olli Nyrhilä. Materialien für das direkte Metall-Laser-Sintern. EOS GmbH – Electro Optical Systems, 2009.

• Luft- und Raumfahrt

−Triebwerksbau, Interieur

• Automobilindustrie

−Motorsport, Serienfahrzeuge

• Industrie

−Handling, Robotik, Sondermaschinen

• Lifestyle-Produkte

Schmuck, Uhren, Schuhe, Sport

• Medizin

Dental, Orthopädietechnik, med. Geräte

• Werkzeugbau

Spritz-, Druckguss, Werkzeugreparatur

LSS-Anlage – EOSINT M 280


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• 200 W Ytterbium-Faserlaser

• Bauvolumen: 250 x 250 x 325 mm3

• Ar oder N2 als Schutzgas

• Schichtstärke: 20 – 40 µm

• Scangeschwindigkeit: ≤ 7 m/s

• Bauplattformtemperatur: ≤ 80 °C

• Minimal herstellbare Wanddicke: 0.3 – 0.4 mm (materialabhängig)

• Mechanische Eigenschaften vergleichbar mit konventioneller Fertigung

• Metallpulver bei FOTEC: Werkzeugstahl MS1

Titanlegierung Ti6Al4V

Aluminiumlegierung AlSi10Mg

Nickellegierung HX

Edelstahl PH1

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I - Bauplattform absenken

II - Beschichter verfahren

III - Metallpulver bereit stellen

IV - Beschichten

V - Fläche und Kontur belichten

Quelle: EOS GmbH – Electro Optical

Systems. Bedienung – EOSINT M 280 /

PSW 3.6. EOS GmbH – Electro Optical

Systems, 2012.

1 Beschichter

2 Beschichterklinge

3 Bauteil

4 Überlaufplattform

5 Bauplattform

6 Bauplattformträger

7 Dosierplattform


Prozessbeschreibung

Prozessvideo EOS


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• Innere Spannungen resultierenaus der raschen Abkühlung imZuge des Schweißprozesses

• Stützstrukturen verhindern dasAufbiegen des Bauteils

• Wärmebehandlung (z.B. Glühen)reduziert die inneren Spannungen

• Ausprägung der Spannungen istabhängig von Material undProzessparametern

Quelle: FOTEC

Design Rules beim LSS

Theoretischer Hintergrund

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• Belichtung ins lose Pulverbett ist

zu vermeiden

• Resultat ist eine schlechte

Oberflächenqualität bis hin zur

Unterbrechung des Bau-

prozesses

• Überhänge (mehr als 35°) als

Bogen ausführen

Quelle: FOTEC


14

• Schicht wird ins lose Pulverbett

geschweißt Beschichter kann

an aufgebogener Schicht hängen

bleiben worst - case:

Jobabbruch

• Bogen-Design Nur kleine

Bereiche werden direkt ins lose

Pulverbett belichtet

• d1 < d2 < d3 < d4 Oberflächen-

qualität wird stetig schlechter

Quelle: FOTEC


15

• Anisotrope Verteilung der

Oberflächenqualitität bei

horizontal gebauten, zylindrischen

Geometrien

• Zylindrische Geometrien immer

vertikal orientiert aufbauen

Quelle: FOTEC


16

• Flache nach unten gerichtete

Oberflächen sollten einen

Neigungswinkel a von 35° nicht

unterschreiten

• Je größer der Winkel a, desto

besser wird die Oberflächen-

qualität

Quelle: FOTEC


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• Gewinde können direkt gebaut

werden

• Einsetzbarkeit des Gewindes

hängt vom Material und der

erreichbaren Oberflächenqualität

ab

• Gewinde, wie auch andere

zylindrische Geometrien, sollten

vertikal gebaut werden

Quelle: FOTEC


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• Eine Verbindung des Bauteils zur

Bauplattform muss stets

gewährleistet sein Beschichter

würde nicht verankerte Schichten

weg schieben

Quelle: FOTEC



Systems. Mit Leichtigkeit zum Sieg. 2012.

Notwendigkeit der Qualitätsüberwachung

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• Konventionelle Fertigung Ausgangsmaterial OK

• LSS nur bei komplexen (optimierten) Bauteilen sinnvoll

• Geringe mechanische Sicherheit Bauteilfehler fatal

Quelle: Michael Friedrich Zäh. WirtschaftlicheFertigung mit Rapid-Technologien. 2006.


Systems. Additive Fertigungsverfahren in der

Medizin. 2013.

Maschinenparameter

Pulverbettüberwachung

Schmelzbadüberwachung

Methoden der Qualitätssicherung beim LSS

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Quelle: Gabriela Buchfink. Werkzeug Laser – Ein Lichtstrahl

erobert die industrielle Fertigung. 2006.

Quelle: FOTEC

Quelle: FOTEC

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Quelle: FOTEC Quelle: FOTEC

Qualitätssicherung bei FOTEC

Pulverbettüberwachung:

22

Quelle: FOTEC


Pulverbettüberwachung:

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Prozesskammer Kameraadapter



Schmelzbadüberwachung – Photodiode:

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Quelle: FOTEC



25

Quelle: FOTEC



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Schmelzbadüberwachung – Kamera:

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Quelle: FOTEC


Schmelzbadüberwachung – Kamera:

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EOS (Photodiode on- und off-Axis)

VT:

• Keine Referenzdaten Losgröße 1

• Auswertung während Baujob verfügbar

NT:

• Nur Auffälligkeiten keine definitiven Fehler

Quelle: www.machinery.co.uk. EOSTATE MeltPoolMonitoring brings quality to AM parts. 2016.

Qualitätssicherung der Anlagenhersteller

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Concept Laser (Kamera + Photodiode on-Axis)

VT:

• Genaue Anzeige von Abweichungen vom Referenzbaujob

NT:

• Referenzdaten erforderlich

• Auswertung erst nach dem Baujobende verfügbar

• Abweichung = Fehler?

Quelle: www.conceptlaserinc.com. QMmeltpool 3Ddisplay. 2015.

Qualitätssicherung der Anlagenhersteller

Laserstrahlschmelzen…

• einzigartige Konstruktionsfreiheit

• Herstellung komplexester, hochwertiger Bauteile

• mechanisch-technologische Eigenschaften wie bei konventioneller Fertigung

• breite Anwendbarkeit der LSS-Bauteile

• effiziente Ressourcen- und Rohstoffnutzung

Aktuelle Problemstellungen:

• Kein System zum definitiven Nachweis von Bauteilimperfektionen während des Baujobs

• Kein System zur zuverlässigen Fehlerdetektion ohne Referenzdaten

• Keine Prozessregelung

Geringe Akzeptanz in sicherheitskritischen Branchen

Potential des Verfahrens wird nicht gänzlich ausgeschöpft

Zusammenfassung

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Überarbeitung des QS-Systems:

• Implementierung einer kombinierten photodioden- und kamerabasierten Schmelzbadüberwachung

• Reduktion der Pseudofehlerrate

• Analysieren & Verstehen von Selbstheilung

• Fehlerkategorisierung und –klassifizierung

• Konzeptentwicklung zur Prozessregelung

Ausblick (FOTEC)

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17. Juni 2016

Christoph Ackerl, MSc

FOTEC Forschungs- und

Technologietransfer GmbH

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Überwachung und qualitätssicherung von anlagen zur additiven … · 2016. 7. 1. · • synonyme:...

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