Überwachung und Qualitätssicherung von Anlagen zur additiven Fertigung mit Fokus auf LSS Verfahren

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1 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

2 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

3 Fachhochschule Wiener Neustadt Gründungsjahr: 1994 Anzahl StudentInnen (2014): Anzahl AbsolventInnen (2014): Standorte: Studienprogramme: Wiener Neustadt, Wieselburg und Tulln Wirtschaft, Technik, Gesundheit, Sicherheit und Sport 3

4 FOTEC Geschäftsbereiche Engineering Technologies (TEC) Innovative Software Systems (BISS) Aerospace Engineering (AE) Pulverspritzgießen Generative Fertigung Softwareentwicklung (Windows, Android, ios, Web) Ionenemitter Wasserstoffspeicher Energiekonverter Antriebssysteme 4

5 Inhalt Generative Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen (LSS) Design Rules beim LSS Notwendigkeit der Qualitätsüberwachung Methoden der Qualitätssicherung beim LSS Qualitätssicherung bei FOTEC Qualitätssicherung der Anlagenhersteller Quelle: Gabriela Buchfink. Werkzeug Laser Ein Lichtstrahl erobert die industrielle Fertigung. Vogel Buchverlag, Würzburg, Zusammenfassung & Ausblick 5

6 Generative Fertigungsverfahren 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 Stoffeigenschaften entstehen simultan während des Herstellungsprozesses Quelle: Andreas Gebhardt. Generative Fertigungsverfahren. Hanser Verlag,

7 Laserstrahlschmelzen 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) Quelle: EOS GmbH Electro Optical Systems. Technologieübersicht

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

9 Laserstrahlschmelzen LSS-Anlage EOSINT M W Ytterbium-Faserlaser Bauvolumen: 250 x 250 x 325 mm 3 Ar oder N 2 als Schutzgas Schichtstärke: µm Scangeschwindigkeit: 7 m/s Bauplattformtemperatur: 80 C Minimal herstellbare Wanddicke: mm (materialabhängig) Mechanische Eigenschaften vergleichbar mit konventioneller Fertigung Metallpulver bei FOTEC: Werkzeugstahl MS1 Titanlegierung Ti6Al4V Aluminiumlegierung AlSi10Mg Nickellegierung HX Edelstahl PH1 9

10 Laserstrahlschmelzen Prozessbeschreibung I - Bauplattform absenken IV - Beschichten II - Beschichter verfahren V - Fläche und Kontur belichten III - Metallpulver bereit stellen 1 Beschichter 2 Beschichterklinge 3 Bauteil 4 Überlaufplattform 5 Bauplattform 6 Bauplattformträger 7 Dosierplattform Quelle: EOS GmbH Electro Optical Systems. Bedienung EOSINT M 280 / PSW 3.6. EOS GmbH Electro Optical Systems,

11 Laserstrahlschmelzen Prozessvideo EOS 11

12 Design Rules beim LSS Theoretischer Hintergrund Innere Spannungen resultieren aus der raschen Abkühlung im Zuge des Schweißprozesses Stützstrukturen verhindern das Aufbiegen des Bauteils Wärmebehandlung (z.b. Glühen) reduziert die inneren Spannungen Ausprägung der Spannungen ist abhängig von Material und Prozessparametern 12

13 Design Rules beim LSS Belichtung ins lose Pulverbett ist zu vermeiden Resultat ist eine schlechte Oberflächenqualität bis hin zur Unterbrechung des Bauprozesses Überhänge (mehr als 35 ) als Bogen ausführen 13

14 Design Rules beim LSS 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 d 1 < d 2 < d 3 < d 4 Oberflächenqualität wird stetig schlechter 14

15 Design Rules beim LSS Anisotrope Verteilung der Oberflächenqualitität bei horizontal gebauten, zylindrischen Geometrien Zylindrische Geometrien immer vertikal orientiert aufbauen 15

16 Design Rules beim LSS Flache nach unten gerichtete Oberflächen sollten einen Neigungswinkel a von 35 nicht unterschreiten Je größer der Winkel a, desto besser wird die Oberflächenqualität 16

17 Design Rules beim LSS 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 17

18 Design Rules beim LSS Eine Verbindung des Bauteils zur Bauplattform muss stets gewährleistet sein Beschichter würde nicht verankerte Schichten weg schieben 18

19 Notwendigkeit der Qualitätsüberwachung Konventionelle Fertigung Ausgangsmaterial OK LSS nur bei komplexen (optimierten) Bauteilen sinnvoll Geringe mechanische Sicherheit Bauteilfehler fatal Quelle: EOS GmbH Electro Optical Systems. Mit Leichtigkeit zum Sieg Quelle: EOS GmbH Electro Optical Systems. Additive Fertigungsverfahren in der Medizin Quelle: Michael Friedrich Zäh. Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien

20 Methoden der Qualitätssicherung beim LSS Maschinenparameter Pulverbettüberwachung Schmelzbadüberwachung Quelle: Gabriela Buchfink. Werkzeug Laser Ein Lichtstrahl erobert die industrielle Fertigung

21 Qualitätssicherung bei FOTEC Pulverbettüberwachung: 21

22 Qualitätssicherung bei FOTEC Pulverbettüberwachung: 22

23 Qualitätssicherung bei FOTEC Schmelzbadüberwachung Photodiode: Prozesskammer Kameraadapter 23

24 Qualitätssicherung bei FOTEC Schmelzbadüberwachung Photodiode: 24

25 Qualitätssicherung bei FOTEC Schmelzbadüberwachung Photodiode: 25

26 Qualitätssicherung bei FOTEC Schmelzbadüberwachung Kamera: 26

27 Qualitätssicherung bei FOTEC Schmelzbadüberwachung Kamera: 27

28 Qualitätssicherung der Anlagenhersteller EOS (Photodiode on- und off-axis) VT: Keine Referenzdaten Losgröße 1 Auswertung während Baujob verfügbar NT: Nur Auffälligkeiten keine definitiven Fehler Quelle: EOSTATE MeltPool Monitoring brings quality to AM parts

29 Qualitätssicherung der Anlagenhersteller 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: QMmeltpool 3D display

30 Zusammenfassung 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 30

31 Ausblick (FOTEC) Überarbeitung des QS-Systems: Implementierung einer kombinierten photodioden- und kamerabasierten Schmelzbadüberwachung Reduktion der Pseudofehlerrate Analysieren & Verstehen von Selbstheilung Fehlerkategorisierung und klassifizierung Konzeptentwicklung zur Prozessregelung 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 17. Juni 2016 Christoph Ackerl, MSc FOTEC Forschungs- und Technologietransfer GmbH 32