Je mehr, desto besser

Das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl, kurz PBF-LB / M, ist das weitverbreitetste additive Fertigungsverfahren für metallische Werkstoffe. Zum Einsatz kommt das Fertigungsverfahren besonders dann, wenn es um komplexe Geometrien, kleine Serienfertigungen und Individualanfertigungen geht, welche mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht hergestellt werden können. Mit dem Verfahren können Funktionen wie innenliegende Kühlkanäle und Leichtbaustrukturen direkt in das Bauteil integriert und in einem einzigen Prozessschritt gefertigt werden.

Obwohl die Vorteile dieser Technologie gegenüber konventionellen Verfahren hinlänglich bekannt sind, bestehen bei der Integration in die Serienfertigung diverse Herausforderungen hinsichtlich der Qualitätssicherung und Produktivität. Beides, sowohl die Qualität als auch die Produktivität, lässt sich durch eine Erhöhung der Anzahl der Laser und der dazugehörigen Laseroptiken steigern. Speziell die Bauteilgüte kann mithilfe innovativer Scanstrategien wie implementierte Vor- und Nachheizlaser verbessert werden. Die Umsetzung ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden: Bei der parallelen Belichtung in benachbarten Bereichen können sich je nach Richtung, in die sich der Schutzgasstrom bewegt, die Laserstrahlen mit ihren Schweißnebenprodukten wie Schweißrauch und -spritzer gegenseitig beeinflussen. Hierdurch entstehen Schwankungen im Energieeintrag, die das Schmelzbad destabilisieren und die Prozess- und Bauteilqualität mindern. Werden mehrere Laser parallel eingesetzt, ist es deshalb wichtig, Kontakte zwischen den Lasern oder zwischen Lasern und deren Schweißnebenprodukten auszuschließen.

Ein Forschungsteam am Fraunhofer IPK hat dazu einen innovativen Algorithmus entwickelt, mit dem mehrere Laser parallel gesteuert werden können: Der Algorithmus passt auf Basis bestehender Scanvektoren die Scanstrategie an, um unerwünschte Abschattungseffekte zu vermeiden. Dafür berücksichtigt er die zeitabhängigen Positionen aller im Prozess involvierten Laser. Um dabei Beeinträchtigungen der Energie des Lasers durch den Schweißrauch zu verhindern, sind Informationen über Geometrie und Richtung der Schweißrauchfahne von besonderer Bedeutung. In einem ersten Schritt wurde deshalb die Charakterisierung der Rauchfahne mittels visueller Bildverarbeitung durchgeführt. Dies ermöglicht es dem Algorithmus »Verbotszonen« zu definieren, also Bereiche, in die kein Laser eindringen darf, und die Scanvektoren entsprechend anzupassen.

Um die Anwendung des Algorithmus zu vereinfachen und das Verfahren zu optimieren, entwickeln die Forschenden außerdem ein neuartiges Schweißrauch-Monitoringsystem zur Vermessung der Rauchfahne. Ziel ist es, die Rauchfahne auf Basis eines Multisensorsystems umfassend zu erfassen. Dazu wird derzeit ein optischer Ansatz genutzt: Die Rauchfahne wird bildbasiert überwacht. Darüber hinaus wird mithilfe von Fotodioden der Schweißrauch detektiert. Dank der genauen Kenntnis seiner Position und Größe kann der Algorithmus automatisiert verschiedene Prozessparameter anpassen. Um eine hohe Effizienz und Kompatibilität mit diversen Softwareanwendungen zu erreichen, erfolgt die Programmierung des Algorithmus in Python. In der weiteren Entwicklung des Monitoringsystems sollen die Scanvektoren durch den Algorithmus automatisiert gesetzt werden, sodass eine Abdeckung durch Schweißrauch komplett vermieden und somit die Bauteilqualität deutlich verbessert werden kann.