Высокоточный мониторинг процесса и обнаружение ошибок в аддитивном производстве

Послойное лазерное сплавление металлов в порошковом слое (PBF-LB/M) является ключевой технологией в аддитивном производстве, которая делает возможным изготовление сложных и высокопроизводительных металлических компонентов с индивидуально настраиваемыми материальными и функциональными свойствами. Эта технология используется в многочисленных отраслях — от аэрокосмической и медицинской техники до автомобильной промышленности — и считается прорывной для производства будущего. Достижения в области мониторинга и управления процессом крайне важны для дальнейшего повышения качества, воспроизводимости и эффективности этого производственного процесса.

Ключевой задачей является точный анализ процесса послойного лазерного сплавления, поскольку он оказывает решающее влияние на качество компонента. В рамках исследований по повышению стабильности и эффективности процесса студенты и научные сотрудники Лазерного прикладного центра (LAZ) Университета Аалена проводят глобальное динамическое наблюдение за процессом PBF-LB/M. В контексте высокоскоростного управления процессом с обратной связью по температуре исследуются такие явления, как разбрызгивание и образование дыма, поведение при затвердевании, а также безопасное перемещение механических компонентов во время аддитивного производства. Это дополняется статическим высокоразрешающим анализом геометрии переплавленных слоев компонента и точным обнаружением потенциальных дефектов в порошковых слоях, чтобы можно было делать обоснованные выводы о будущем качестве компонента. Визуализирующими компонентами этого исследовательского проекта являются две высокопроизводительные промышленные камеры USB3 от IDS Imaging Development Systems.

Тестовая установка для аддитивного производства с камерой IDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 и камерой IDS U3-3990SE-M-GL Rev.1.2.

Две промышленные камеры IDS предоставляют необходимую визуальную информацию

Две разные задачи требуют разных моделей камер. «Мы используем модель из семейства камер USB3 uEye CP для глобального динамического наблюдения за процессом PBF-LB/M, таким как разбрызгивание или образование дыма. Для статического выявления аномалий в порошковых слоях и в геометриях переплавленных слоев компонента используется камера USB3 uEye из серии SE», — поясняет Давид Кольб, научный сотрудник LAZ.

Требования к камерам

Требования к двум камерам IDS различаются из-за областей их применения в PBF-LB/M.

«Поскольку послойное лазерное сплавление металлов в порошковом слое — это высокодинамичный процесс аддитивного производства, в котором компонент создается слой за слоем, для глобального динамического мониторинга были особенно важны следующие особенности: камера должна предлагать разрешение более 1000 x 1000 пикселей и частоту кадров более 100 кадров/с, охватывать поле обзора не менее 100 мм x 100 мм и иметь триггерный порт для видеозаписи», — объясняет Давид Кольб выбор модели камеры. Выбранная модель U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 обеспечивает превосходное качество изображения даже при слабом освещении или когда камера должна снимать быстро движущиеся объекты. Встроенный КМОП-сенсор с глобальным затвором IMX273 из серии Sony Pregius особенно выделяется своим качеством изображения, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. При разрешении 1,58 мегапикселей (1456 x 1088 px) он достигает частоты кадров 251 кадр/с — идеально подходит для детального видео- и фотоанализа динамических процессов.

Глобальный мониторинг процесса PBF-LB/M с различными настройками цвета и экспозиции с помощью камеры IDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 и программного обеспечения IDS peak.

«Знания, полученные таким образом, предоставляют нам важную информацию для более глубокого понимания взаимодействия лазера с материалом в процессе аддитивного производства и возможности настраивать параметры изготовления в зависимости от материала или, например, геометрии компонента».
— Давид Кольб, научный сотрудник LAZ —

Для определения параметров процесса были аддитивно изготовлены кубообразные компоненты, и глобальный процесс производства был проанализирован с помощью камеры USB3 uEye CP. Это позволило определить оптимальные лазерные параметры, с помощью которых можно производить новые типы мягких магнитных компонентов для более эффективных электродвигателей будущего из труднообрабатываемого феррумкремниевого сплава с 6,5 мас.% кремния (FeSi6.5). Половинка статора из FeSi6.5, созданная на этой основе, позволяет идеально адаптироваться к особым требованиям машин с поперечным магнитным потоком благодаря своей оптимизированной трехмерной магнитной проводимости. Высокое электрическое сопротивление материала и свобода проектирования, предоставляемая PBF-LB/M, позволяют снизить потери на вихревые токи, повысить плотность мощности и интегрировать дополнительные функции, такие как структуры охлаждения. Как сложная геометрия, так и хрупкий мягкий магнитный материал FeSi6.5 практически невозможно произвести или обработать с помощью традиционных производственных процессов и требуют использования аддитивных технологий.

Аддитивно изготовленная мягкая магнитная половинка статора машины с поперечным магнитным потоком из FeSi6.5 на платформе построения.

Для статического высокоразрешающего наблюдения за порошковыми слоями или геометриями слоев компонента, с другой стороны, требуются следующие свойства камеры — помимо триггерного порта для одиночной съемки: сенсор должен быть способен обнаруживать геометрические особенности размером менее 40 мкм для выявления дефектов в слоях и предлагать поле обзора не менее 100 мм × 100 мм и максимально квадратное соотношение сторон (1:1). Именно это и обеспечивает промышленная камера U3-3990SE Rev.1.2 с разрешением 20,36 мегапикселей (4512 x 4512 px). В ней используется высокопроизводительный, крупноформатный (1,1") КМОП-сенсор высокого разрешения IMX541 из серии Sony Pregius S. Используемая технология BSI («обратная засветка») позволяет создавать пиксели меньшего размера (2,74 мкм) и достигать более высокого разрешения, а также улучшенной квантовой эффективности и чувствительности.

Конструктивные изменения в испытательной установке для позиционирования камеры IDS U3-3990SE-M-GL Rev.1.2 для статического наблюдения за слоями геометрии порошкового компонента.

«Благодаря особенно удобным и гибко интегрируемым камерам IDS необходимые изменения в испытательной установке могли быть реализованы быстро и легко, так что USB3 uEye SE можно было позиционировать целенаправленно под определенным углом», — объясняет Давид Кольб. Практически вертикальное наблюдение за отдельными слоями геометрии порошкового компонента предоставит ценные сведения о качестве компонента и потенциальных производственных дефектах после завершения финальных adjustments. Таким образом, можно получить необходимую информацию о свойствах аддитивно изготовленных компонентов и целенаправленно использовать ее для оптимизации производственных процессов.

Перспективы

Исследования в области PBF-LB/M необходимы для разработки и обработки новых материальных сплавов и производства повышающих производительность, иногда многоматериальных геометрий компонентов. Глубокое понимание процесса помогает минимизировать дефекты и реализовать инновационные конструкции, которые были бы невозможны при использовании традиционных методов производства. Камеры IDS обеспечивают глубокое понимание процесса PBF-LB/M и, таким образом, вносят ценный вклад в исследования, разработку и трансфер технологий (R&D&T) — например, в обработке новых материальных сплавов или производстве сложных, оптимизированных под применение (многоматериальных) компонентов.

В будущем для автоматического анализа динамического и статического наблюдения за PBF-LB/M будет использоваться искусственный интеллект. Цель состоит в том, чтобы получить еще лучшее понимание высокодинамичного взаимодействия лазера с материалом — такого как количество и траектория разбрызгивания и образование ошибок в процессе печати — и дальнейшего улучшения процесса аддитивного производства с точки зрения ресурсоэффективности и устойчивости.