Thermografie in der additiven Fertigung
In der additiven Fertigung hängt die Qualität des endgültigen Produktes maßgeblich von der Temperatur ab. Wärmebildkameras erfassen in Echtzeit Temperaturentwicklungen und Abweichungen und ermöglichen ein schnelles Eingreifen in den laufenden Prozess.
Die Thermografie kann eingesetzt werden für
das Laser-Pulverbettschmelzen für den 3D-Druck von Metallen (Laser Power-bed Fusion, LPBF / SLM / DMLS),
die Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling),
die Materialextrusion mit Granulat (FGF / Pellet Extrusion)
sowie für andere Verfahren.
Kontrollierte Prozesssteuerung und Qualitätssicherung in der additiven Fertigung
In der additiven Fertigung – auch bekannt als 3D-Druck – wird Material Schicht für Schicht aufgetragen, um dreidimensionale Gegenstände herzustellen. Gleichzeitig finden chemische und physikalische Härtungs- und Schmelzprozesse statt, bei denen die Temperatur eine entscheidende Rolle spielt. Wärmebildkameras können für die systematische Überwachung des gesamten Herstellungs- und Bearbeitungsprozesses sowie für die Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Sie erfassen in Echtzeit Temperaturentwicklungen und Abweichungen und ermöglichen ein schnelles Eingreifen in den laufenden Prozess.
Zahlreiche additive Fertigungsverfahren basieren auf Lasertechnologien wie Laserschmelzen, -sintern oder -auftragsschweißen. Andere Verfahren wie Binder Jetting werden durch einen Sinterdurchgang abgeschlossen, um das Material vollständig auszuhärten. Auch beim thermischen Spritzen spielt die Temperatur für das Erreichen der bestmöglichen Oberflächenhärte und optimaler Antihafteigenschaften eine entscheidende Rolle. Um bei diesen Verfahren thermische Auffälligkeiten zu lokalisieren und detailliert abzubilden, unterstützen Thermografiekameras von InfraTec die Ermittlung und nachfolgende Einhaltung thermischer Prozessparameter durch Inline-Überwachung. So können Wärmebildkameras beispielsweise direkt in einer Fertigungsmaschine integriert werden und ermöglichen dadurch eine berührungslose und rückwirkungsfreie Temperaturmessung.
Relevant sind dabei meist die Erfassung der Temperaturverteilung der Pulverbettoberfläche sowie die Messung von Schmelztemperaturen. Beides ist realisierbar für Temperaturbereiche bis über 2.000 °C und während der Laser arbeitet (in-situ-Messung).
Die genaue Überwachung von Maschinen, Verarbeitungsanlagen, Materialien und Temperaturen während der Fertigung und Verarbeitung von additiven Teilen ist sowohl in der Industrie als auch in der Forschung von elementarer Bedeutung. Die Abbildung der Wärmeflüsse in Bauteilen schafft ein vollständiges Prozessverständnis und erlaubt die präzise Kontrolle der Temperaturentwicklung der zu verarbeitenden Materialien sowie eine exakte thermische Steuerung des Prozesses. Fehler in der Produktion werden somit frühzeitig erkannt, Ausschuss aktiv vermieden und Rückläufer minimiert. Außerdem können können durch die thermografische Kontrolle Prozess- und Taktzeiten deutlich optimiert und Zusammenhänge zwischen Prozessparametern und (Schmelz-)Temperaturen abgeleitet werden.
Anforderungen an Wärmebildkameras in der additiven Fertigung mit Lasern
Additiven Fertigung spezifischen Anforderungen entsprechen. Dies gilt zum Beispiel mit Blick auf das zeitliche Auflösungsvermögen.
Typisch für die Arbeit mit einem Laser sind kurze Laserwirkungszeiten, bei denen Wärmeeinträge innerhalb von Sekundenbruchteilen stattfinden. Hinzu kommt: Gerade bei Metallen breitet sich die eingetragene Wärme aufgrund der hohen Wärmediffusionsrate im Material sehr schnell aus. Dies erfordert das Messen mit hohen Bildfrequenzen in Voll- und Teilbild. Besonders in der Mikromaterialbearbeitung mit gepulstem Laserlicht sind die Anforderungen an Thermografiesysteme sehr hoch. Geeignet für diese Anwendung sind beispielsweise die Kameras der ImageIR®-Serie, da diese mit großem Bildformat und einer hohen Bildfrequenz von bis 1.105 Hz Hochgeschwindigkeitsprozesse abbilden können.
Eine ebenso große Bedeutung kommt der thermischen und geometrischen Auflösung der Wärmebildkameras zu. Je nach Verfahren und Material können mittels Laser sehr große als auch sehr kleine Temperaturunterschiede erzeugt werden, welche durchgehend und sehr präzise überwacht werden müssen. Hierfür bieten sich verschiedene Funktionen der InfraTec-Kameras an, wie z. B. HighSense-Mode, HDR-Funktion, High-Speed-Mode und geometrische Auflösungen im HD-Bereich.
Als Maß für den Energieeintrag – insbesondere beim Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) – gilt die volumetrische Energiedichte (volumetric energy density, VED); eine Größe, die unter anderem von der Leistung des Lasers abhängt. Obwohl thermische Signaturen direkt mit einer Infrarotkamera gemessen werden können, korrelieren diese stark mit den physikalischen Auswirkungen der VED, d. h., es lassen sich Rückschlüsse auf den erfolgten Energieeintrag ziehen und damit die Prozesse optimieren.
Thermografiebilder mit hoher Auflösung für die Temperaturmessung
Präzises Erkennen geringster Temperaturunterschiede
Analyse sehr schneller Temperaturänderungen und dynamischer Prozesse
Schnelle Übertragung und Speicherung größter Mengen von Messdaten auf einen Computer
Konstant hervorragende optische und messtechnische Leistung selbst in rauen industriellen Umgebungen
Materialien in der 3D-Fertigung
In der industriellen additiven Fertigung kommen je nach Anwendungsbereich verschiedene Materialien zum Einsatz, vor allem Kunststoffe, Metalle und Keramiken.
Kunststoffe (meist Polymere) werden insbesondere für die 3D-Fertigung von Prototypen und für Funktionsteile (Schutzkappen, Clips, Dichtungen usw.) eingesetzt. Aus Metallen (Edel- und Werkzeugstähle, Titan, Legierungen von Ni, Al, Cu usw.) entstehen im Rahmen der additiven Fertigung vor allem komplexe Bauteile für Luftfahrt, Medizintechnik oder den Maschinenbau. Dort, wo besondere Härte sowie hohe Temperatur- und chemische Beständigkeit gefordert ist, werden zunehmend keramische Werkstoffe (Aluminium- und Zirkonoxid, Siliziumnitrid und -karbid) verwendet.
Alle für die additive Fertigung eingesetzten Materialien müssen sich für den schichtweisen Auftrag verflüssigen bzw. als Pulver in einer Emulsion oder einer (zäh)flüssigen Mischung mit einem Klebstoff auftragen lassen. Die Aushärtung kann abhängig vom Material in situ mit einem Laser oder mit einer anderen Energiequelle erfolgen bzw. alternativ im Nachgang – zum Beispiel durch Sintern – vorgenommen werden.
Additive Fertigung von Keramiken
Wie bei anderen additiven Verfahren kommt die Thermografie auch beim 3D-Druck von Keramiken zur zerstörungsfreien Inline-Prozessüberwachung und zur Qualitätssicherung zum Einsatz. Durch Messung der Temperaturverteilung können Inhomogenitäten beim Schichtaufbau, Unregelmäßigkeiten bei der Trocknung und Abkühlung oder lokale Überhitzungen beim Härtungsprozess erkannt werden. Anwenden lässt sich die Thermografie zudem für die Optimierung der Prozessparameter beim 3D-Druck. Die gemessenen Temperaturverläufe erlauben Rückschlüsse für die Anpassung von Druckgeschwindigkeit, Schichtstärke oder Energieeintrag (z. B. bei Sinterprozessen oder photopolymerbasierten Verfahren).
Die Auswahl der geeigneten Wärmebildkamera bzw. des Kamerasystems hängt dabei von Faktoren wie der erforderlichen Temperaturauflösung, der Messgenauigkeit und den spezifischen Anforderungen des Druckverfahrens ab.
Eingesetzte Verfahren und Keramiken
Abhängig von den angestrebten Eigenschaften des keramischen Bauteils kommen Fertigungsverfahren wie das Lasersintern, Digital Light Processing (DLP) oder der 3D-Pulverdruck (z. B. Binder Jetting) zum Einsatz. Die keramischen Werkstoffe werden dabei als Pulver, Suspension oder Paste schichtweise aufgetragen und die Schichten anschließend vernetzt bzw. ausgehärtet. Oftmals spielen dabei polymerisierbare, organische Bindemittel eine zentrale Rolle. Die Vernetzung kann durch Licht, durch chemische Reaktion oder Wärmezufuhr erfolgen.
Den Endzustand beim additiven Schritt der Fertigung von Keramikteilen bilden in der Regel sogenannte Grünkörper oder Grünlinge. Das sind Rohlinge, die erst durch das Schwinden beim Trocknen und das abschließende Sintern die vorgesehene Größe des finalen Produktes erreichen.
Besonders gut für die Prozessüberwachung mit Wärmebildkameras eignen sich laserbasierte Verfahren. Beim 3D-Pulverdruck lässt sich thermografisch die Trocknung der Grünlinge beobachten und es können Rückschlüsse auf Defekte gezogen werden. Da beim DLP-Verfahren während der Vernetzung nur sehr geringe Temperaturunterschiede auftreten, ist die Thermografie vor allem bei exothermen Polymerisationsreaktionen hilfreich.
Für die additive Fertigung von Keramikteilen können verschiedene Materialien eingesetzt werden, darunter
Oxide (Al2O3, ZrO2, SiO2)
Carbide (SiC)
Nitride (Si3N4, BN)
Glaskeramikn
Biokeramiken
Den Emissionseigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit dieser Materialien ist beim Einsatz der Thermografie besondere Aufmerksamkeit zu widmen, um z. B. durch die Auswahl entsprechend angepasster Kameras eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit sicherzustellen.
Keramiken – Werkstoffe mit Potential
Während die additive Fertigung für Kunststoffe und Metalle bereits vielfältig industriell eingesetzt wird, gewinnen Verfahren mit keramischen Werkstoffen zunehmend an Bedeutung. Der 3D-Druck von Keramiken bietet viele Vorteile. Mittels additiver Fertigung lassen sich:
Bauteilgeometrien herstellen, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich sind,
individualisierte Einzelstücke wie Implantate oder Kleinserien ohne hohe Werkzeugkosten fertigen und
Bauteile mit ortsaufgelöstem Eigenschaftsprofil herstellen.
Mit Keramiken eröffnen sich viele Einsatzmöglichkeiten, denn deren Eigenschaften sind häufig anderen Materialien überlegen: So sind sie z. B. verschleißarm, temperaturbeständig, elektrisch nichtleitend, chemisch resistent und können sogar biokompatibel sein.
Thermografievideos zur additiven Fertigung
Thermische Auffälligkeiten zuverlässig lokalisieren und detailliert abbilden
Durch In-Line-Überwachung thermischer Prozessparameter unterstützen Thermografiekameras von InfraTec die Optimierung additiver Fertigungsverfahren.
Berührungslose und rückwirkungsfreie Temperaturmessung
Abbildung von Wärmeflüssen in Bauteilen zur Gewinnung eines vollständigen Prozessverständnisses
Präzise Kontrolle des Aufheizens und Abkühlens der zu verarbeitenden Materialien
Überwachung definierter Energieeinträge und Reduzierung der thermischen Belastung
Exakte thermische Steuerung des Prozesses dank High-Speed-Datenerfassung, hoher geometrischer Auflösung und verzögerungsfreier Triggerung
Lückenlose Erfassung, Dokumentation und Auswertung von Temperaturverteilungen zur Ermittlung des optimalen Energieeintrags durch den Laser
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Leistungen von InfraTec im Überblick
Gekühlte und ungekühlte High-End-Thermografiekameras zur Lösung komplexer Aufgabenstellungen
Verschiedene Detektorformate mit bis zu (2.560 × 2.048) IR-Pixeln und großen Temperaturmessbereichen
Modulares Design zur optimalen Anpassung an die Mess- und Prüfsituation (OEM-Lösungen)
Vollständiges Sortiment an Präzisions-Wechseloptiken mit erstklassiger Übertragungsgüte
Komplettlösungen inkl. Zubehör und Software für den F&E-Bereich und zur Prozesskontrolle
Erstklassiger Service sichert hohe Systemverfügbarkeit
Innovative Messtechnik mit über 30 Jahren Kompetenz
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