Überwachung und qualitätssicherung von anlagen zur additiven … · 2016. 7. 1. · • synonyme:...
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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
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Quelle: FOTEC
Quelle: EOS GmbH – Electro Optical Systems. Technologieübersicht. 2008.
Anwendungsbereiche
Laserstrahlschmelzen
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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
Laserstrahlschmelzen
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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
Laserstrahlschmelzen
Prozessbeschreibung
Prozessvideo EOS
Laserstrahlschmelzen
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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
Design Rules beim LSS
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• 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
Design Rules beim LSS
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• Anisotrope Verteilung der
Oberflächenqualitität bei
horizontal gebauten, zylindrischen
Geometrien
• Zylindrische Geometrien immer
vertikal orientiert aufbauen
Quelle: FOTEC
Design Rules beim LSS
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• 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
Design Rules beim LSS
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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
Design Rules beim LSS
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• Eine Verbindung des Bauteils zur
Bauplattform muss stets
gewährleistet sein Beschichter
würde nicht verankerte Schichten
weg schieben
Quelle: FOTEC
Design Rules beim LSS
Quelle: EOS GmbH – Electro Optical
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.
Quelle: EOS GmbH – Electro Optical
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:
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Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei FOTEC
Pulverbettüberwachung:
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Prozesskammer Kameraadapter
Quelle: FOTEC Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei FOTEC
Schmelzbadüberwachung – Photodiode:
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Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei FOTEC
Schmelzbadüberwachung – Photodiode:
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Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei FOTEC
Schmelzbadüberwachung – Photodiode:
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Quelle: FOTEC Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei FOTEC
Schmelzbadüberwachung – Kamera:
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Quelle: FOTEC
Qualitätssicherung bei 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