Eine der häufigsten Ursachen schlechter Bauteilqualität beim Selektiven Laserschmelzen sind der Zustand des Pulvers und mangelhafte Belichtungsparameter des Lasers. Eine Lösung schafft hier der ScanFieldMonitor (SFM) von PRIMES. In weniger als drei Sekunden ermittelt der SFM die wichtigsten Produktionsparameter und bietet somit eine schnelle und komfortable All-in-One-Laserstrahldiagnose für den industriellen 3D-Druck.

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Logo PRIMESDie Qualitätssicherung hält dem Vormarsch des 3D-Drucks in der Industrie noch nicht ganz stand. Abhilfe schafft PRIMES mit seinem neuen PRIMES ScanFieldMonitor (SFM), der ganz ‚vorne‘ beim Parametrisieren von Laserstrahl und Scanner ansetzt.

Vom BMW i8 bis zur Dragon V2 von Elon Mask’s SpaceX werden mit Additiv Manufacturing  (AM) hergestellte Teile eingesetzt. Mapal machte sein neues Glockenwerkzeug durch AM 30 Prozent leichter, erhöhte die Standzeit um ca. 40 Prozent, dazu arbeitet das Werkzeug doppelt so schnell wie sein konventionelles Pendant.

Ein Problem beim Additive Manufacturing ist die Qualität. Häufigste Ursachen schlechter Bauteilqualität beim Selektiven Laserschmelzen sind der Zustand des Pulvers und mangelhafte Belichtungsparameter des Lasers.

Im Gegensatz zum Laserschweißen, wo die Strahldiagnostik etabliert ist, geht beim Selektiven Laserschmelzen noch die Dynamik des Scanners mit ein. Dazu altern Laserquellen, sprich die Leistung sinkt, und auch die Kaustik ist keine fixe Größe. Weiter ist der Fokusshift ein Thema bei Bauteilen, die lange in der Herstellung brauchen.

Fast alle Messaufgaben in einem Gerät

Stephan Holesch, Vertriebsingenieur bei PRIMES, sagt dazu:

„In weniger als drei Sekunden ermittelt der SFM die wichtigsten Produktionsparameter. Mit speziellen Messschemata lassen sich auch Kissenverzerrung, das Zusammenfügen überlappender Scanfelder, der Fokusshift und die Laser-Einschalt- und Ausschaltverzögerung bestimmen.“

PRIMES ScanFieldMonitor (SFM)
Mit dem kompakten PRIMES ScanFieldMonitor (SFM) kann im gesamten Bauraum des 3D-Druckers gemessen werden (Bild © PRIMES).

Dabei lässt sich, dank der 3D-Maschinenbauplattform, die Bewegung entlang der Z-Achse für die Messung der Kaustik und der Feldebenheit verwenden.

Die Stärke des Systems liegt im Zusammenführen vieler Messaufgaben in einem Gerät. Die kompakte Messeinheit ermöglicht eine Charakterisierung an zufälligen Positionen im Arbeitsbereich unter tatsächlichen Prozessbedingungen und die Steuerung von außerhalb der Anlage.

Das patentierte Messverfahren basiert auf einer spezifischen Messstruktur aus 10 bis 15 µm breiten Linien, eingraviert in eine Glasplatte. Fährt der Laserstrahl über diese Struktur misst eine Photodiode das an den Linien gestreute Licht. Diese Peaks liefern den Weg des Laserstrahls über die Messstruktur. Über die Abtastrate der Photodiode ermittelt das System die Verfahrgeschwindigkeit, Anfangs- und Endpunkt des Laserstrahls. Daraus errechnet der Algorithmus Strahldurchmesser, rekonstruiert Weg, Position und Länge des Strahls, M2, Rayleighlänge und Divergenz, auch für den ausgelenkten Laser.

So kann man auch Bahnabweichungen in den äußeren Bereichen erkennen. Aus der Auswertung aller Messungen erhält der Anwender zusätzlich abgeleitete Größen, wie Ein- und Ausschaltverzögerung des Lasers, sowie die Fokuslage über dem gesamten Bearbeitungsfeld. Im Gegensatz zur konventionellen Strahldiagnostik misst der SFM den bewegten Strahl und das bei voller Laserleistung.

Die Datenerfassung geschieht in der Zeit, die der Scanner zum Schreiben der Vektoren benötigt, d.h. sie liegt im Bereich weniger Millisekunden für die komplette Sequenz. Damit eignet sich die Methode auch für zeitaufgelöste Analysen, wie der Untersuchung von thermischen Linsen.

Timing und Synchronisation

Eingravierte Messstruktur im PRIMES ScanFieldMonitor
Herz des SFM ist eine Glasplatte mit eingravierter Messstruktur (Bild © PRIMES).

Um eine Schmelzspur im Pulverbett zu positionieren, muss die Beleuchtungssequenz des Lasers präzise mit der Bewegung des Scannerspiegels synchronisiert werden. Da der SFM absolute Positionsinformationen liefert, kann er zum Kalibrieren eingesetzt werden.

Absorptionsbedingte thermische Fokusverschiebungen sind beim Einsatz von Hochleistungslasern normal. Dank Messfrequenzen von bis zu 500 Hz kann so auch das transiente Verhalten von thermisch bedingten Verschiebungen untersucht werden.

Das System ist mit 80 x 80 x 100 mm3 klein genug, um an mehreren Stellen über den Arbeitsbereich hin platziert zu werden und orientiert sich an DIN 35224/ISO/ASTM CD 52903-2.

Zu dem vorhandenen WLAN-Modul kommt nun noch eine Ethernetschnittstelle dazu und die Messung der Kaustik kann automatisch passieren, was statt 15 min jetzt nur noch 0,5 Min für 20 Ebenen braucht. Das Gerät erkennt auch, ob in x- oder y-Richtung verfahren wird, und das Einstellen der Photodioden geschieht automatisch.

Additive Manufacturing mit großem Potential

Arbeitsprinzip des PRIMES ScanFieldMonitor
Arbeitsprinzip des SFM: Aus dem an der eingravierten Messstruktur gestreuten Laserlicht werden die Parameter des Laserstrahls und des Scanners bestimmt (Bild © PRIMES).

2019 lag das weltweite AM-Marktvolumen noch bei rund 11 Mrd. US-Dollar, laut Prognose von Ernst & Young soll sich das Marktvolumen bis 2023 mit 25 Mrd. US-Dollar mehr als verdoppeln.

In den letzten zwei bis drei Jahren integrierten die Unternehmen die AM-Anlagen zunehmend in eine automatisierte Prozesskette. Trotzdem hängt die Automatisierung der Prozesskette hinterher. Um dies auszugleichen ist die Messtechnik gefordert die Qualitätsnormen festzulegen und deren Überprüfung zu garantieren.

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Disclaimer: Dieser Beitrag wurde als gesponserter Beitrag im Rahmen einer Partnerschaft zwischen PRIMES und dem 3D-grenzenlos Magazin veröffentlicht. Inhaltlich verantwortlich ist PRIMES.

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