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Additive Fertigung mit Metall Emissionsgradmessung erlaubt Qualitätssicherung von Metallpulver

| Autor / Redakteur: Fraunhofer IPK: Frauhofer IPK: Eckart Uhlmann, Julian Polte, Anzhelika Gordei, Robert Kersting. Inglas GmbH & Co. KG: Ryan Anderson, Alexander Kirmes, Anna Anderson / Peter Königsreuther

Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) und Powder Direct Engergy Deposition (Powder-DED) sind die verbreitetsten Verfahren im Rahmen der Additiven Fertigung metallischer Werkstoffe. Doch es gibt Probleme...

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Bild 1: Messprinzip: 1) Messung einer reflektierten Wärmestrahlung Pr mithilfe des Infrarot-Thermopile-Sensors. 2) Umrechnung des Emissionsgrads ε durch die gemessene reflektierte Wärmestrahlung Pr.
Bild 1: Messprinzip: 1) Messung einer reflektierten Wärmestrahlung Pr mithilfe des Infrarot-Thermopile-Sensors. 2) Umrechnung des Emissionsgrads ε durch die gemessene reflektierte Wärmestrahlung Pr.
(Bild: Fraunhofer IPK)

Um die Probleme zu lösen, wurde ein Projekt mit dem Titel „Entwicklung eines wirtschaftlichen Systems zur Qualitätssicherung von Werkstoffen in der Additiven Fertigung auf Basis der Emissionsgradmessung von Metallpulvern“ ins Leben gerufen. Denn obwohl die Potenziale der oben genannten Technologien hinlänglich bekannt sind, ist eine Integration in die Serienfertigung aufgrund hoher Risiken und Herausforderung in der Qualitätssicherung in vielen Anwendungsgebieten nicht möglich.

Um die Prozessrobustheit zu erhöhen und einen weiteren Schritt in Richtung First-Time-Right-Fertigung gehen zu können, ist eine hohe und gleichmäßige Rohstoff- beziehungsweise Pulverqualität entscheidend. Denn die Pulvereigenschaften haben einen signifikanten Einfluss auf den Ablauf des Fertigungsprozesses und die Qualität des Endbauteils.

Die chemische Zusammensetzung, die Oxidation, der Reinheitsgrad, die Pulvermorphologie und die Schüttdichte sind entscheidende Charakteristika für den erfolgreichen Einsatz in der Additiven Fertigung. Eine kontinuierliche prozessbegleitende Kontrolle dieser Größen ist aber aufgrund der spezifischen und komplexen Messverfahren nicht wirtschaftlich.

Der Emissionsgrad ε als Alternative zur Metallpulverprüfung

Über die Messung des Pulveremissionsgrades kann eine neue, sehr viel wirtschaftlichere Möglichkeit zur kontinuierlichen Qualitätsprüfung des Ausgangswerkstoffes bereitgestellt werden. Der Emissionsgrad ε eines Objekts gibt an, wie viel Strahlung im Vergleich zu einem idealen Wärmestrahler, einem sogenannten schwarzen Körper, abgegeben wird. Der Emissionsgrad ε ist direkt von den oben genannten Pulvercharakteristika abhängig. Daraus folgt, dass sich auch Schwankungen der Rohstoffqualität durch die Messung des Emissionsgrades ε detektieren lassen. Jedoch wurden die direkten Zusammenhänge bisher weitgehend unerforscht.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin hat in Zusammenarbeit mit der Inglas GmbH & Co. KG nun ein zerstörungsfreies Messverfahren weiterentwickelt, welches unkompliziert im Aufbau und praktisch in der Anwendung ist. Damit ist auch eine effiziente Pulverqualifizierung auf Basis der Emissionsgradmessung außerhalb und innerhalb der Fertigungsanlage möglich. Das System basiert auf einem von Inglas entwickelten, kompakten und tragbaren Analysegerät des Typs TIR 100-2, das einen Infrarot-Thermopile-Sensor mit Fresneloptik nutzt. Solche Sensoren wandeln Wärmeenergie in elektrische Energie um. Das Messprinzip ist in Bild 1 dargestellt.

Die Objektoberfläche wird dazu hemisphärisch und diffus mit einem auf 100 °C beheizten, halbkugelförmigen Schwarzkörperstrahler erwärmt. Die vom Objekt reflektierte

Wärmestrahlung Pr wird gemessen und in Relation zu bekannten Eichwerten Pb eines idealen Körpers (schwarzen Strahler) aus einer Datenbank gesetzt, um den entsprechenden Emissionsgrad ε zu bestimmen (siehe Formel 2 in Bild 1).

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