Quantitative in-process Temperaturmessung im Laser-Pulver-Auftragschweißen mittels multispektraler Emissionsgradprädiktion

Bei der additiven Fertigung von Metallen sind die Erstarrungstemperaturintervalle, Phasenumwandlungstemperaturen,  thermischen Gradienten sowie Erstarrungs- und Abkühlgeschwindigkeiten die zentralen Größen, welche die nach dem Prozess vorliegenden mikrostrukturellen Ausprägungen, innere Spannungen sowie mögliche Risse des Werkstücks bestimmen. Für die Vision einer zukünftigen ggf. graduierten, gezielten Einstellung der mechanischen sowie Oberflächeneigenschaften von additiv gefertigten Bauteilen bedarf es somit der genauen Kenntnis der Zusammenhänge zwischen den Stellgrößen des Fertigungsprozesses sowie der Bauteilgeometrie und den Temperaturfeldern während der Fertigung. Zur Validierung von Modellen und Simulationen der Prozesse bzgl. o.g. Eigenschaften wird daher eine quantitativrückführbare in-process Messung von Oberflächentemperaturfeldern benötigt. Insbesondere gilt die gleichzeitige Temperaturbestimmung des Schmelzbades und des Festkörpers auch bei Temperaturen deutlich unterhalb der Erstarrungstemperatur als ungelöst und soll im Rahmen des Projekts adressiert werden. Dafür sollen zwei kamerabasierte Messtechniken zur Bestimmung tatsächlicher Temperaturentwicklungen im Prozess trotz variierendem Emissionsgrad am Beispiel des Laser-Pulver-Auftragschweißens mit dem Werkstoff AISI 316L erforscht, verglichen und abschließend fusioniert werden. Im Teil des Projektpartners BAM wird das Verfahren der Temperatur-Emissionsgrad Separation auf Grundlage der multispektralen Thermografie im mittelwelligen Infrarotspektralbereich genutzt. Dafür müssen geeignete parametrisierte analytische spektrale Emissionsgradfunktionen für die verschiedenen Materialzustände entwickelt werden, die den tatsächlichen spektralen Emissionsgradverlauf mit wenigen Freiheitsgraden ausreichend gut beschreiben. Um diese in den verschiedenen Bildbereichen für die Temperatur-Emissionsgrad-Separation anwenden zu können, muss zudem eine Klassifikation der Bildbereiche nach Materialzustand erfolgen. Im Teil des Projektpartners MRT sollen die Daten einer visuellen RGB-Kamera (inklusive externer Beleuchtung) zunächst im Sinne einer Störgrößenreduktion vorverarbeitet und anschließend Regionen jeweils mathematisch beschreibbarer Emissionsgradverläufe segmentiert und mittels datengetrieben angelernter Prädiktion auf den Emissionsgrad abgebildet werden. Die gewonnenen Emissionsgradinformationen werden für die quantitative Temperaturmessung mit den Bildern einer breitbandigen mittelwelligen Infrarotkamera mit weitem Temperaturmessbereich fusioniert.

Lars Sommerlade, M.Sc.

Oktober 2024 - September 2027

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

Die Messungen wurden an der LMD²-Laserauftragsschweißen mit integrierter Röntgenanalytik Anlage durchgeführt.