ASM International ist eine gemeinnützige Fachgesellschaft, deren Hauptaufgabe es ist, ihren Mitgliedern und der Werkstoffkunde im Allgemeinen naturwissenschaftliches, ingenieurwissenschaftliches und technisches Wissen zu vermitteln.In ihren Schulungs- und Untersuchungslabors beschäftit man sich regelmäßig mit innovativen Prüflösungen, die die Qualitätssicherung in der Fertigung möglicherweise verbessern können.
Eine neue Anwendung, mit der man sich gerade auseinandersetzt, ist das selektive Laserschmelzen (SLM), ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Laser zum Schmelzen von pulverförmigem Material unter Ausbildung eines 3D-Objekts verwendet wird. Betrachten Sie einfach als 3D-Druck für Metallteile. Eine der Herausforderungen, die ASM International untersucht, ist die Vorgehensweise zur Beurteilung der Qualität von gedruckten 3D-Objekten.
Wie funktioniert das selektive Laserschmelzverfahren?
Der zu verarbeitende Werkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgebracht. Ein sehr feiner Laser erwärmt das pulverförmige Material selektiv, wodurch es zusammengeschmolzen wird. Durch das Erzeugen von Tausenden (oder mehr, je nach Größe des Objekts) winziger „Schweißnähte“ (erstarrte Schmelzmasse) in mehreren Schichten mit anschließendem Entfernen von überschüssigem Pulvermaterial können Bediener effektiv ein 3D-Metallobjekt herstellen.
Der gesamte Prozess wird über einen Computer gesteuert. Für jedes zu erstellende Objekt müssen etwa 200 Parameter richtig eingestellt werden. Eine Fehleinstellung kann zu Schwierigkeiten während des Fertigungsverfahrens und zu einer schlechten Qualität des Objekts führen. Wenn das System beispielsweise nicht richtig eingerichtet ist, können Hohlräume oder Porosität auftreten. Diese können das fertige Objekt schwächen und einen vorzeitigen Ausfall bewirken
Zur Bewertung der Qualität von Objekten, die mit selektivem Laserschmelzen gefertigt werden, stehen verschiedene Technologien zur Verfügung. Eine der am häufigsten verwendeten ist die Computertomographie (CT). Bei der CT wird Röntgenstrahlung verwendet, um die Schichten als 2D-Querschnitte eines Objekts zu erfassen. Diese Schichten können dann in einer 3D-Bildsynthese rekonstruiert werden, sodass äußere und innere Merkmale des Objekts sichtbar werden. Diese Methode ist zwar effektiv, aber zeitaufwändig. Beim additiven Fertigungsverfahren sind Geschwindigkeit und Effizienz von entscheidender Bedeutung.
Untersuchungen mithilfe konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie
Im ASM-Labor wird das konfokale LEXT OLS5000 Lasermikroskop von Olympus verwendet. Das OLS5000 Mikroskop wird in vielen Prüfanwendungen verwendet, um die Form und Oberflächenrauheit einer Probe im Submikrometerbereich zu messen. Zu den vielen Vorteilen gehören Geschwindigkeit, Benutzerfreundlichkeit, ein großer Arbeitsabstand und eine präzise Bildgebung.
Das LEXT OLS5000 Mikroskop im Labor von ASM International.
John Peppler, leitender Metallurg und Laborleiter bei ASM International, verwendete das OLS5000 Mikroskop, um das SLM-Verfahren zu beschleunigen. Insbesondere nutzte er das OLS5000 Mikroskop, um die Form der erstarrten Masse darzustellen und dann die Ergebnisse mit denen des CTs zu vergleichen.
Bewertung von gedruckten Objekten
Die oberste Schicht des gedruckten Objekts zeigt erstarrte Masse. Die Form der erstarrten Masse mit ihren Zwischenräumen hat viel mit der Lokalisierung und Bewertung potenzieller Fehler zu tun. Die Analyse dieser Art von Formen ist eine Stärke des OLS5000 Mikroskops.
Die Konfiguration und Durchführung einer kompletten Bewertung einer Komponente mithilfe eines CTs dauert ca. drei Stunden. Mit dem OLS5000 Mikroskop dauert es ca. eine Stunde, einen 3 mm × 3 mm großen Bereich zu prüfen, um die Oberflächenrauheit zu bestimmen. Darüber hinaus verwendete John Peppler das OLS5000 Mikroskop, um einfache Linienprofilmessungen des Objekts durchzuführen. Jede Messung dauerte nur wenige Minuten.
 Ein Farbbild des 3 mm × 3 mm Bereichs, der mit einem 50-fach Objektiv mit großem Arbeitsabstand aufgenommen wurde. |  Eine Höhenkarte desselben Bereichs aus dem wie im linken Bild gezeigt. |
Obwohl die OLS5000 Daten nicht alle inneren Merkmale des Objekts zeigen, waren sie bei der Bewertung der Erhebungen und Vertiefungen auf der Oberfläche des Objekts hilfreich. Mit dem Mikroskop kann eine Vertiefung als Messung einer bestimmten Tiefe unter der Oberfläche des Objekts definiert und als Messung angezeigt werden. Das vom Lasermikroskop erzeugte Bild kann möglicherweise zur Verbesserung der Qualität der Komponente beitragen, indem die ordnungsgemäße Funktion des selektiven Laserschmelzsystems überprüft wird. Wenn zum Beispiel in der erstarrten Masse der obersten Schicht unerwünschte große Hohlräume vorhanden sind, kann davon ausgegangen werden, dass solche Lücken wahrscheinlich im Inneren des Prüfteils vorhanden sind. Daher sollte die Integrität mithilfe einer CT überprüft werden.
Bilder von einem OLS5000 Mikroskop von drei 3 mm × 3 mm Bereichen zeigen Intensität, Farbe, Höhenkarte und Stufen.
Feinabstimmung des selektiven Laserschmelzsystems
Die schnellen linearen Rauheitsmessfunktionen des OLS5000 Mikroskops können hilfreich sein, um das System während der Einstellungen richtig anzupassen. In jedem selektiven Laserschmelzsystem müssen diverse Parameter richtig eingestellt werden, damit die Objekte bestmöglich gefertigt werden können. Diese richtigen Einstellungen können nur durch Ausprobieren erreicht werden. Daher sind schnelle Prüflösungen, die diesen Prozess beschleunigen können, von entscheidender Bedeutung.
Verschiedene lineare Höhenprofile der erstarrten Masse nach dem Laserschmelzen. Die Vertiefungen in der erstarrten Masse sind erheblich tiefer als die obere Schicht, was auf einen Fehler hinweist.
Die zu messenden Hauptfaktoren sind: Anzahl, Lage und Tiefe aller Vertiefungen im Objekt. Das hochauflösende und kontaktfreie Laserobjektiv des Mikroskops misst genau die Tiefe selbst schmaler Vertiefungen in der erstarrten Masse. John Peppler hofft, dass er durch die Darstellung der Linienabtastung ein Hilfsmittel für die Feinabstimmung schaffen kann, mit dem Hersteller beim selektiven Laserschmelzen nicht nur die Form, sondern auch die Stabilität im Inneren von Objekten verbessern können. Auch wenn das OLS5000 Mikroskop die CT nicht ersetzen kann, kann es eine wichtige Komponente eines Prozesses sein, der die Einstellung und Qualitätssicherung effizienter macht.
Zusammenfassung
Selektives Laserschmelzen und ähnliche additive Fertigungstechniken werden immer beliebter. Die Möglichkeit, 3D-Metallteile mit komplexen Formen und Geometrien ohne Schmieden oder Fräsen zu drucken, ist für viele Hersteller verlockend. Bei der Entwicklung modernster Fertigungstechniken müssen diese jedoch durch fortschrittliche Prüftechnologien unterstützt werden. Olympus und ASM International wollen fortschrittliche Geräte zusammen mit qualifizierten Ausbildern und Wissenschaftlern kombinieren, um so Lösungen für neue Herausforderungen zu entwickeln.
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