Thermographie zur Temperaturmessung beim Laser-Sintern – ein Beitrag zur Qualitätssicherung?

Abstract

Beim Laser-Sintern wird das Pulverbett durch Heizstrahler vorgeheizt, um an der Pulveroberfläche eine Temperatur knapp unterhalb des Materialschmelzpunktes zu erzielen. Dabei soll die Temperaturverteilung auf der Oberfläche möglichst homogen sein, um gleiche Bauteileigenschaften im gesamten Bauraum zu erzielen und den Bauteilverzug gering zu halten. Erfahrungen zeigen jedoch sehr inhomogene Temperaturverteilungen, weshalb oftmals die Integration von neuen oder optimierten Prozessüberwachungssystemen in die Anlagen gefordert wird. Ein potentiell einsetzbares System sind Thermographiekameras, welche die flächige Aufnahme von Oberflächentemperaturen und somit Aussagen über die Temperaturen an der Pulverbettoberfläche erlauben. Dadurch lassen sich kalte Bereiche auf der Oberfläche identifizieren und bei der Prozessvorbereitung berücksichtigen. Gleichzeitig ermöglicht die Thermografie eine Beobachtung der Temperaturen beim Lasereingriff und somit das Ableiten von Zusammenhängen zwischen Prozessparametern und Schmelzetemperaturen. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde ein IR-Kamerasystem erfolgreich als Festeinbau in eine Laser-Sinteranlage integriert und Lösungen für die hierbei auftretenden Probleme erarbeitet. Anschließend wurden Untersuchungen zur Temperaturverteilung auf der Pulverbettoberfläche sowie zu den Einflussfaktoren auf deren Homogenität durchgeführt. In weiteren Untersuchungen wurden die Schmelzetemperaturen in Abhängigkeit verschiedener Prozessparameter ermittelt. Auf Basis dieser Messergebnisse wurden Aussagen über erforderliche Optimierungen getroffen und die Nutzbarkeit der Thermografie beim Laser-Sintern zur Prozessüberwachung, -regelung sowie zur Anlagenwartung als erster Zwischenstand der Untersuchungen bewertet.The powder bed surface in laser sintering is preheated to a temperature close to the material’s melting point by a radiant heater. The distribution of temperatures on the surface should be as homogeneous as possible to achieve equal part properties in the whole build space and to get minor part warpage. However, experiences show very inhomogeneous temperature distributions. Therefore, it is often asked for the integration of new process monitoring systems in the machines. One possible solution to perform this task is thermal imaging, which enables a 2-dimensional measurement of surface temperatures and can give information on the temperature of the powder bed surface. Thereby, cold areas can be detected on the surface and can be considered in pre-processing. Additionally thermal imaging enables the monitoring of the temperature while the laser is working and therefore it gives the possibility to establish correlations between the process parameters and the temperature of the melt. Within the scope of the analysis done, a thermal imaging system was successfully integrated in a laser sintering machine. At the same time, necessary solutions were developed for the problems which emerged from the integration of the system. Afterwards, the temperature distribution on the part bed surface was determined. Additionally, influence factors on the homogeneity of the part bed surface’s temperature were analysed. Further analysis was done to determine the temperature of the melt as a function of different process parameters. Conclusions for required optimisations were educed from the measurement results; and the usability of thermal imaging in laser sintering for process monitoring, process control and maintenance was evaluated as a first intermediate result of the analysis