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Potenziale der bildgestützten Prozessüberwachung zur Steigerung des technologischen Reifegrades von Laser-Strahlschmelzverfahren

Kleszczynski, Stefan

Durch Laser-Strahlschmelzverfahren können metallische Bauteile hergestellt werden, die durch funktionalisierte geometrische Formen einen technologischen oder wirtschaftlichen Mehrwert entfalten. Die technologischen Grundlagen des Laser-Strahlschmelzverfahrens sind heute soweit verstanden, dass es prinzipiell möglich ist Metallbauteile mit mechanisch-technologischen Eigenschaften her-zustellen, die den Anforderungen einer industriellen Anwendung genügen. Dennoch können die Eigenschaften von laser-strahlgeschmolzenen Bauteilen und der Verlauf der Prozesse starken Schwankungen unterliegen. Durch eine ressourcenintensive Erarbeitung von Prozesswissen können Anwender der Technologie die Prozessschwankungen reduzieren. Die notwendigen Schritte zur Erarbeitung des Prozesswissens hemmen jedoch die weitere Etablierung der Laser-Strahlschmelz-Technologie. Neben dem geometrisch-funktionalen Potenzial des Laser-Strahlschmelzverfahrens kann zudem ein metallurgisch-funktionales Potenzial erschlossen werden, indem die prozessinhärenten Randbedingungen gezielt zur Einstellung spezieller Mikrostrukturen und somit zur Erzeugung von herausra-genden Materialeigenschaften genutzt werden. Die Qualifizierung von neuen Werkstoffkonzepten vergrößert die Komplexität der Prozessführung und ist nach heutigem Stand der Technik mit aufwändigen Parameterstudien verknüpft. Die Erarbeitung von Methoden zur Quantifizierung und Analyse von kritischen prozessseitigen Aspekten des Laser-Strahlschmelzverfahrens stellt daher ein anerkanntes Handlungsfeld dar und soll im Rahmen dieser Arbeit am Beispiels einer bildgestützten Analysemethodik vertieft werden. Zunächst wird der grundlegende Aufbau eines bildgestützten Prozessdokumen-tationssystems beschrieben und eine Methodik zur Auswertung des gewonne-nen Bildmaterials vorgestellt. Die Analysemethodik wird im Rahmen experimen-teller Versuchsbauprozesse für die Messung der Prozessstabilität von kritischen Geometrieelementen und die Ermittlung der Auswirkungen von Prozess- und Materialfehlern auf die resultierenden statischen Festigkeitseigenschaften er-probt. Die Ergebnisse zeigen, dass es durch den verwendeten bildgestützten Analyseansatz gelingen kann die Prozessstabilität zu beschreiben und hieraus Rückschlüsse auf Prozess- und Geometrieparameter gewonnen werden können. Die Analyse von fehlerhaft aufgeschmolzenen Bauteilregionen zeigt, dass diese prinzipiell im Bildmaterial erkennbar sind und durch ein erneutes Aufschmelzen bis zu einem bestimmten Ausmaß ausgeheilt werden können. In einem weiteren Schritt wurde die entwickelte Analysemethodik unterstütztend für Parameterstudien zur Qualifizierung einer amorph-erstarrenden Metalllegie-rung auf Zr-Basis und eines Metall-Matrix-Komposit-Materials genutzt. Die durch das Bildgebungssystem gewonnenen Erkenntnisse konnten durch metallografi-sche Untersuchungen bestätigt werden und können somit zur beschleunigten Erarbeitung von Prozesswissen und zur Steigerung des technologischen Reife-grades beitragen.

Laser beam melting processes can be used to produce metallic components that provide technological or economic added value through functionalized geometric shapes. The technological principles of the laser beam melting process are today so far understood that it is basically possible to produce metal components with mechanical-technological properties that meet the requirements of an industrial application. Nevertheless, the properties of laser-melted components and the course of the processes can be subject to strong fluctuations. The resource-intensive develop-ment of process knowledge enables users of the technology to reduce process fluctuations. However, the steps necessary to develop process knowledge inhibit the further establishment of the laser beam melting technology. In addition to the geometric-functional potential of the laser beam melting pro-cess, metallurgical-functional potential can be tapped by using the process-inherent boundary conditions specifically for the adjustment of certain microstruc-tures and thus for the generation of outstanding material properties. The qualifi-cation of new material concepts increases the complexity of process control and is linked to complex parameter studies according to the current state of the art. The development of methods for the quantification and analysis of critical pro-cess-related aspects of the laser beam melting process is therefore a recognized field of work. The example of an image-supported analysis methodology will be used as a basis for this work. First, the basic structure of an image-based process documentation system is de-scribed and a methodology for evaluating the image material obtained is present-ed. The analysis methodology is tested in the scope of experimental test process-es in order to measure the process stability of critical geometry elements and to determine the effects of process and material defects on the resulting static strength properties. The results show that the image-based analysis approach used can be used to describe process stability and to draw conclusions about process and geometry parameters. The analysis of defective part regions shows that these are basically recognizable in the image material and can be healed to a certain extent by remelting. In a further step, the developed analysis methodology was used for parameter studies to qualify an amorphous solidifying metal alloy based on Zr and a metal matrix composite material. The findings of the imaging system have been con-firmed by metallographic investigations and can thus contribute to the accelerated development of process knowledge and to increasing the degree of technological maturity.

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Kleszczynski, Stefan: Potenziale der bildgestützten Prozessüberwachung zur Steigerung des technologischen Reifegrades von Laser-Strahlschmelzverfahren. 2018.

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