US-Forschende entwickeln Technologie für Fehlererkennung beim Metall-3D-Druck

Der 3D-Druck birgt ein erhebliches Potenzial zur Stärkung der Produktion, doch Defekte in additiv gefertigten Teilen verhindern eine breite Anwendung. Die Expert*innen des Johns Hopkins APL befassen sich mit diesem Problem, indem sie Sensoren entwickeln, die in der Lage sind, diese Fehler zu erkennen und zu verhindern, bevor sie auftreten.

„Mit der additiven Fertigung lassen sich so viele verschiedene Strukturen herstellen, die für bestimmte Anwendungen optimiert sind“, sagt Vince Pagán, Wissenschaftler für experimentelle Optik und Projektleiter am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) in Laurel, Maryland. „Die Achillesferse des Verfahrens ist jedoch die Entstehung von Defekten, die zu einer Schwächung und zum Versagen der Teile führen können, was bei kritischen Anwendungen wie der Landesverteidigung, der Biotechnologie und der Luft- und Raumfahrt nicht passieren darf.“

Um dieses Problem zu lösen, entwickeln Expert*innen am APL Sensoren, die Defekte bereits im Entstehungsprozess erkennen können. Diese Forschung wird durch das Hopkins Extreme Materials Institute und das Army Research Laboratory sowie das Office of Naval Research unterstützt.

Ein häufiges Problem in der additiven Fertigung ist die Bildung von Schlüssellochdefekten während des Pulverbettfusion-Prozesses. Dabei können kleine Dampfblasen im geschmolzenen Metall eingeschlossen werden, wenn der Laser zu viel Energie zu schnell abgibt, was die strukturelle Integrität beeinträchtigt.

„Wenn wir die Bildung von Defekten noch im Schmelzzustand erkennen können, haben wir die Möglichkeit, diese Fehler zu beheben, bevor sie zu leistungseinschränkenden Mängeln führen“, sagte Morgan Trexler, der das APL-Programm Science of Extreme and Multifunctional Materials leitet. „Wir arbeiten daran, die Herstellungsprozesse intelligenter zu machen, was zu einer schnelleren Herstellung und zuverlässigeren Komponenten führen wird.

„Wir können Felsen unter der Oberfläche von Flüssen aus dem Weltraum erkennen, nicht weil wir sie direkt sehen können, sondern weil wir Stromschnellen erkennen können, in denen der Wasserfluss unterbrochen ist“, erklärt Steve Storck, Projektleiter und leitender Wissenschaftler für Fertigungstechnologien in der Abteilung für Forschung und explorative Entwicklung von APL. „Wenn sich in einem Teil eine Pore bildet, ist der Wärmefluss um sie herum gestört, was auf einen Defekt im Entstehungsprozess hinweist. Wenn wir diese Temperatur- und Spektralanomalien genau und schnell messen können, sollten wir in der Lage sein, festzustellen, ob sich in, unter oder neben der aktiven Schmelzstelle etwas bildet.“

Durch Simulationen mit computergestützter Fluiddynamik konnte Li Ma, Senior Engineer und Experte für additive Fertigungsprozessmodellierung, bestimmen, dass Reaktionszeiten von weniger als 20 Mikrosekunden erforderlich sind, um thermische Störungen zu erkennen und den Prozess anzupassen. Dies ermöglichte es, den Laser rechtzeitig abzuschalten, um die Bildung von Defekten zu verhindern.

Die Forschenden entwickelten einen Hochgeschwindigkeitssensor, der spektrale und Temperaturdaten in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung erfasst. Dies ermöglichte die Echtzeitkontrolle des Lasers innerhalb von Mikrosekunden.

„Um Schlüssellochdefekte zu beseitigen, müssen wir in der Lage sein, sie in Echtzeit zu erkennen und zu verhindern, aber das alles geschieht außergewöhnlich schnell“, so Storck. „Bei der additiven Fertigung erfolgt die Erstarrung etwa ein- bis dreitausendmal schneller als bei herkömmlichen Verfahren, was bedeutet, dass herkömmliche Erfassungs- und Kontrollmethoden nicht funktionieren würden. Das hat uns dazu veranlasst, maßgeschneiderte Methoden zu entwickeln.“

Das Team plant, Künstliche Intelligenz in den Prozess zu integrieren, um die Rückkopplungsschleife zu beschleunigen und die Defekterkennung zu verbessern. Dies soll die Produktion von Bauteilen ermöglichen, die direkt aus dem Druckprozess heraus einsatzbereit sind.

Durch diese Fortschritte in der Fehlererkennung und Prozesskontrolle verspricht die additive Fertigung, zuverlässigere und qualitativ hochwertige Bauteile schneller und kosteneffizienter zu produzieren.