Fringe Projection für die In-Prozess-Kontrolle beim 3D-Druck: eine metrologische Lösung von der Purdue University
Ein in den Produktionsprozess integriertes dreidimensionales Metrologiesystem verspricht, Fehler Schicht für Schicht zu erkennen und zu messen, und ebnet den Weg für die Korrektur in Echtzeit.
Einen Defekt an einem fertiggestellten Bauteil zu entdecken, ist eines der teuersten Szenarien in der industriellen additiven Fertigung. Ein Aufbau im Laser-Pulverbettschmelzen kann Tage dauern. Wenn eine geometrische Abweichung in den frühen Phasen auftritt und erst bei der Endkontrolle erkannt wird, wurden Material, Maschinenzeit und Energie der nachfolgenden Phasen verschwendet.
Aus diesem Grund konzentriert sich ein wachsender Teil der Forschung auf die In-Process-Kontrolle: die Fähigkeit zu beobachten, was passiert, während das Bauteil gebaut wird.
Über das traditionelle Monitoring hinaus
Aktuelle Systeme erkennen Anomalien, liefern aber keine präzisen dreidimensionalen Messungen der gebauten Oberfläche. Die digitale Streifenprojektion schließt diese Lücke.
Industriemaschinen verwenden bereits Kameras, Wärmesensoren, Fotodioden und Systeme zur Analyse des Schmelzbads. Beim Laser-Pulverbettschmelzen ist es möglich, die Wechselwirkung zwischen Laser und Metallpulver zu beobachten oder Bilder des Betts nach dem Durchgang des Recoaters aufzunehmen.
Diese Werkzeuge identifizieren anomale Phänomene, liefern aber keine echte dreidimensionale Messung der gerade gebauten Oberfläche. Eine Kamera kann einen visuell anderen Bereich zeigen, aber festzustellen, ob sich dieser Bereich 50, 200 oder 500 Mikrometer über der erwarteten Position befindet, erfordert zusätzliche geometrische Informationen.
- Qualitative Erkennung von Anomalien ohne Dimensionsmessung
- Unmöglichkeit, geometrische Abweichungen in Echtzeit zu quantifizieren
- Identifizierung von Defekten erst nach abgeschlossenem Prozess
Die Forschung der Purdue University
Eine Doktorarbeit schlägt die Digital Fringe Projection als integriertes Messwerkzeug vor, mit dem Ziel, während der Produktion zu messen und zu korrigieren.
Die Arbeit wurde von William Murray Keller im Rahmen seiner Promotion an der School of Mechanical Engineering der Purdue University entwickelt. Die Betreuung wurde Professor Song Zhang, Leiter des XYZT Lab, übertragen.
Das Ziel ist besonders ehrgeizig: sich nicht darauf zu beschränken, eine Abweichung zu erkennen, sondern festzustellen, wo sie sich befindet, sie dreidimensional zu messen und die Informationen zu nutzen, um die Produktion zu korrigieren, während das Werkstück noch in der Maschine ist.
Die Digital Fringe Projection wird genau untersucht, um die messtechnische Lücke traditioneller Systeme zu schließen. Das Prinzip geht von der Projektion von Lichtmustern auf die Oberfläche aus.
Von der Erfassung zur Korrektur
Das System beschränkt sich nicht auf die Überwachung: Die erfassten geometrischen Informationen können für Korrekturmaßnahmen in Echtzeit genutzt werden.
Die eigentliche Innovation besteht in der Möglichkeit, die erfassten dreidimensionalen Daten zu nutzen, um den Prozess zu ändern, während das Bauteil noch in Fertigung ist. Dieser Ansatz verwandelt die In-Prozess-Kontrolle von einem diagnostischen Werkzeug in ein System der aktiven Korrektur.
Im Rahmen der Forschung hat Keller auch einen bildbasierten Slicing-Algorithmus entwickelt, ein Element, das eine tiefe Integration zwischen messtechnischer Erfassung und Prozessplanung nahelegt.
Optische Messtechnik, die Muster aus Lichtstreifen auf eine Oberfläche projiziert, um deren dreidimensionale Geometrie durch die Analyse der Verformungen des Musters zu rekonstruieren.
Implikationen für die Industrie
Die Integration der dreidimensionalen Messtechnik in den Produktionsprozess könnte Ausschuss und Produktionszeiten drastisch reduzieren.
Die Fähigkeit, jede Schicht während des Aufbaus zu messen, stellt einen Paradigmenwechsel gegenüber der Endkontrolle dar. Eine Abweichung nach wenigen Schichten zu erkennen, anstatt nach Tagen der Produktion, bedeutet, den größten Teil des Materials und der Maschinenzeit zu sparen.
Dieser Ansatz ist besonders relevant für komplexe Produktionen im Laser-Pulverbettschmelzen, wo der Mehrwert mit jeder aufgetragenen Schicht wächst. Der wirtschaftliche Verlust eines fehlerhaften Bauteils steigt proportional mit dem Fortschreiten des Prozesses.
Die Forschung der Purdue University fügt sich in einen Entwicklungsstrang ein, der die Messtechnik nicht mehr als separate Phase, sondern als integrierten Bestandteil des Produktionsprozesses sieht. Das Endziel ist die selbstregulierende additive Fertigung, die sich autonom an erkannte Abweichungen anpassen kann.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
Was ist die Hauptgrenze traditioneller Überwachungssysteme beim 3D-Druck?
Aktuelle Systeme erkennen qualitative Anomalien, liefern jedoch keine präzisen dreidimensionalen Messungen der aufgebauten Oberfläche. Geometrische Abweichungen können während des Prozesses nicht in Echtzeit quantifiziert werden.
Wer hat die Forschung zur Digital Fringe Projection an der Purdue University entwickelt?
Die Arbeit wurde von William Murray Keller im Rahmen seiner Promotion an der School of Mechanical Engineering durchgeführt. Die Forschung wurde von Professor Song Zhang des XYZT Lab betreut.
Wie funktioniert das im Artikel beschriebene Prinzip der Digital Fringe Projection?
Das System basiert auf der Projektion von Lichtmustern auf die Oberfläche des sich im Aufbau befindenden Bauteils. Dies ermöglicht die Gewinnung zusätzlicher geometrischer Informationen zur micrometergenauen Vermessung der Maße.
Was ist das Endziel der Integration dieses metrologischen Systems in den Produktionsprozess?
Ziel ist es, Abweichungen dreidimensional zu messen und die Daten zur Korrektur der Fertigung zu nutzen, solange sich das Werkstück noch in der Maschine befindet. Dies vermeidet Material- und Energieverschwendung durch erst am Prozessende erkannte Fehler.
Für welche additive Fertigungstechnologie ist diese metrologische Lösung besonders kritisch?
Die Lösung ist für das Laser Powder Bed Fusion konzipiert, ein Verfahren, dessen Abschluss Tage dauern kann. Das Erkennen von Fehlern in frühen Phasen ist entscheidend, um Maschinenzeit und Energie in späteren Stufen nicht zu verschwenden.
