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Vergleich der Messungen der Schmelzbadtemperatur bei der Additiven Fertigung von Metallen mittels IR-Spektroskopie und Thermografie

  • Nils Scheuschner

    Dr. Nils Scheuschner studierte Physik an der Technischen Universität Berlin und promovierte über Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie von 2D-Nanomaterialien. Sein Interesse liegt in der Entwicklung von in-situ Monitoringverfahren im Bereich der additiven Fertigung von Metallen.

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    , Simon J. Altenburg

    Simon J. Altenburg schloss 2009 sein Studium der Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel ab und promovierte dort 2014 auf dem Gebiet der Festkörper- und Oberflächenphysik. Seit 2015 arbeitet er im Fachbereich 8.7: Thermographische Verfahren an der BAM. Derzeit ist er als Nachwuchswissenschaftler tätig und beschäftigt sich mit der thermografischen Prozessüberwachung in der additiven Fertigung.

    , Giuseppe Pignatelli

    Giuseppe Pignatelli, M.Sc. hat seinen Bachelor und Master in Materialwissenschaften an der Universitá degli Studi di Bari, Italien, mit einer Arbeit über NeLIBS abgeschlossen. Er ist an einem Promotionsprojekt über die optische Überwachung der laseradditiven Fertigung beteiligt. Sein Interesse gilt den optischen Sensoren und der Laserspektroskopie.

    , Christiane Maierhofer

    Christiane Maierhofer ist Physikerin und hat 1992 an der Technischen Universität Berlin mit dem Schwerpunkt Festkörper- und Oberflächenphysik promoviert. Sie ist Leiterin des BAM-Fachbereichs 8.7: Thermografische Verfahren und verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der zerstörungsfreien Prüfung, der Entwicklung von aktiven Thermografiesystemen, der Beantragung und Koordination von Forschungsprojekten und in der Normung.

    , Anne Straße

    Anne Straße, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Dort ist sie in der Arbeitsgruppe „Laserstrahl- und Hybridschweißen“ tätig und beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Themengebiet der Fehlerdetektion beim des Laser-Pulver-Auftragschweißen.

    , Igor B. Gornushkin

    Dr. I. Gornushkin ist ein Physiker mit großer Expertise in grundlegender und angewandter Spektroskopie, einschließlich LIBS, Emission, Absorption, Fluoreszenz und Raman. Ein besonderes Interesse gilt der Entwicklung spektroskopischer Methoden für Umwelt-, Industrie- und Laboranwendungen.

    and Andrey Gumenyuk

    Andrey Gumenyuk schloss sein Studium an der Staatlichen Universität Tomsk (Russland) auf dem Gebiet der Physik der Metalle 1994 ab, machte ein Postgraduiertenstudium und hatte eine Assistentenstelle an der Technischen Universität St. Petersburg bis 1997, arbeitete seit 1998 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISF Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH, wo er 2004 im Fachbereich Maschinenbau promoviert wurde. Seit 2007 ist er Leiter einer wissenschaftlichen Gruppe auf dem Gebiet des Laser- und Hybridschweißens an der BAM.

Published/Copyright: July 17, 2021

Zusammenfassung

Im Rahmen des Themenfeldprojektes „Process Monitoring of AM“ (ProMoAM) evaluiert die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) gegenwärtig die Anwendbarkeit verschiedenster ZfP-Verfahren zur in-situ Prozessüberwachung in der additiven Fertigung (AM) von Metallen in Hinblick auf die Qualitätssicherung. Einige der wichtigsten Messgrößen sind hierbei die Temperatur des Schmelzbades und die Abkühlrate, welche starken Einfluss auf das Gefüge und die Eigenspannung haben. Aufgrund der Zugänglichkeit zum Werkstück während des Bauprozesses bieten sich optische Verfahren zu Temperaturbestimmung an. Hierbei stellen jedoch u. a. die hohe Bandbreite der zu messenden Temperaturen, die Bestimmung der Emissivität und ihre Änderung bei Phasenübergängen der verwendeten Legierung große experimentelle Herausforderungen dar. Eine weitere Herausforderung stellt für die IR-Spektroskopie die Absorption durch das Schutzgas und weitere optische Elemente dar. Um diese auch in einem industriellen Umfeld kompensieren zu können, wurde eine Methode entwickelt, die das gemessene Spektrum bei der Verfestigung des Werkstoffes als Referenz nutzt. In diesem Beitrag wird die Anwendung dieser Methode für die IR-Spektrometrie als auch Thermografische Messungen beim Laser-Pulver-Auftragschweißen von 316L gezeigt, wobei beide Methoden weiterhin in Hinblick auf ihre individuellen Vor- und Nachteile miteinander verglichen werden.

Abstract

Within the topic area project “Process Monitoring of AM” (ProMoAM) the Federal Institute for Materials Research and Testing is currently evaluating the applicability of various NDT methods for in-situ process monitoring in the additive manufacturing (AM) of metals with regard to quality assurance. Two of the most important variables to measure are the temperature of the molten pool and the cooling rate, which have a strong influence on the microstructure and the residual stress. Due to the accessibility of the workpiece during the construction process, optical methods for temperature determination are suitable. However, the wide range of temperatures to be measured, the determination of emissivity and its change during phase transitions of the alloy pose great experimental challenges. Another challenge for IR spectroscopy is the absorption by the inert gas and other optical elements. In order to be able to compensate for this in an industrial environment, a method was developed which uses the measured spectrum as a reference when the material is solidified. This paper shows the application of this method for IR spectrometry as well as thermographic measurements during laser powder cladding of 316L. Furthermore both methods are compared with respect to their individual advantages and disadvantages.

Über die Autoren

Nils Scheuschner

Dr. Nils Scheuschner studierte Physik an der Technischen Universität Berlin und promovierte über Photolumineszenz- und Raman-Spektroskopie von 2D-Nanomaterialien. Sein Interesse liegt in der Entwicklung von in-situ Monitoringverfahren im Bereich der additiven Fertigung von Metallen.

Simon J. Altenburg

Simon J. Altenburg schloss 2009 sein Studium der Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel ab und promovierte dort 2014 auf dem Gebiet der Festkörper- und Oberflächenphysik. Seit 2015 arbeitet er im Fachbereich 8.7: Thermographische Verfahren an der BAM. Derzeit ist er als Nachwuchswissenschaftler tätig und beschäftigt sich mit der thermografischen Prozessüberwachung in der additiven Fertigung.

Giuseppe Pignatelli

Giuseppe Pignatelli, M.Sc. hat seinen Bachelor und Master in Materialwissenschaften an der Universitá degli Studi di Bari, Italien, mit einer Arbeit über NeLIBS abgeschlossen. Er ist an einem Promotionsprojekt über die optische Überwachung der laseradditiven Fertigung beteiligt. Sein Interesse gilt den optischen Sensoren und der Laserspektroskopie.

Christiane Maierhofer

Christiane Maierhofer ist Physikerin und hat 1992 an der Technischen Universität Berlin mit dem Schwerpunkt Festkörper- und Oberflächenphysik promoviert. Sie ist Leiterin des BAM-Fachbereichs 8.7: Thermografische Verfahren und verfügt über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der zerstörungsfreien Prüfung, der Entwicklung von aktiven Thermografiesystemen, der Beantragung und Koordination von Forschungsprojekten und in der Normung.

Anne Straße

Anne Straße, M.Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachbereich 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Dort ist sie in der Arbeitsgruppe „Laserstrahl- und Hybridschweißen“ tätig und beschäftigt sich hauptsächlich mit dem Themengebiet der Fehlerdetektion beim des Laser-Pulver-Auftragschweißen.

Igor B. Gornushkin

Dr. I. Gornushkin ist ein Physiker mit großer Expertise in grundlegender und angewandter Spektroskopie, einschließlich LIBS, Emission, Absorption, Fluoreszenz und Raman. Ein besonderes Interesse gilt der Entwicklung spektroskopischer Methoden für Umwelt-, Industrie- und Laboranwendungen.

Andrey Gumenyuk

Andrey Gumenyuk schloss sein Studium an der Staatlichen Universität Tomsk (Russland) auf dem Gebiet der Physik der Metalle 1994 ab, machte ein Postgraduiertenstudium und hatte eine Assistentenstelle an der Technischen Universität St. Petersburg bis 1997, arbeitete seit 1998 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am ISF Institut für Schweißtechnik und Fügetechnik an der RWTH, wo er 2004 im Fachbereich Maschinenbau promoviert wurde. Seit 2007 ist er Leiter einer wissenschaftlichen Gruppe auf dem Gebiet des Laser- und Hybridschweißens an der BAM.

Literatur

1. T. DebRoy, et al., Additive Manufacturing of Metallic Components – Process, Structure and Properties, Progress in Materials Science, Vol. 92, pp. 112–224, 2018.10.1016/j.pmatsci.2017.10.001Search in Google Scholar

2. S. J. Altenburg, et al., Comparison of MWIR thermography and high-speed NIR thermography in a laser metal deposition (LMD) process, 14th Quantitative InfraRed Thermography Conference, 25–29 June 2018, Berlin, Germany.10.21611/qirt.2018.p35Search in Google Scholar

Erhalten: 2021-03-29
Angenommen: 2021-07-01
Online erschienen: 2021-07-17
Erschienen im Druck: 2021-10-31

© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston

Downloaded on 24.9.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/teme-2021-0056/html
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