Image-based methods for inspection of laser beam melting processes

zur Jacobsmühlen, Joschka; Ohm, Jens-Rainer; Merhof, Dorit

doi:10.18154/RWTH-2019-04231

Image-based methods for inspection of laser beam melting processes = Bildbasierte Methoden zur Überprüfung von Laser-Strahlschmelzprozessen

zur Jacobsmühlen, Joschka^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Ingenieur Joschka zur Jacobsmühlen

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (vi, 187 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Merhof, Dorit (Thesis advisor)^RWTH* ; Ohm, Jens-Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-05-16

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-04231
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/760489/files/760489.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bildverarbeitung (611710)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bildanalyse (frei) ; Bildgebungssystem (frei) ; Bildverarbeitung (frei) ; Laserstrahlschmelzen (frei) ; Prozessüberwachung (frei) ; Qualitätskontrolle (frei) ; image analysis (frei) ; imaging system (frei) ; laser beam melting (frei) ; laser powder bed fusion (frei) ; process inspection (frei) ; quality control (frei) ; selektives Laser-Schmelzen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Laser-Strahlschmelzen (laser beam melting, LBM) ist ein additives Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing), das die schichtbasierte Produktion von dreidimensionalen Bauteilen aus Metallpulver ermöglicht. Die additive Fertigung ermöglicht komplexe Geometrien, die nicht mittels konventioneller, subtraktiver Methoden herstellbar sind. In den letzten Jahren hat LBM sich von einem Rapid-Prototyping-Verfahren zu einer Rapid-Manufacturing-Methode entwickelt, die zur Produktion individueller Bauteile oder kleiner Chargen genutzt wird, z.B. für Ersatzteile oder Zahnprothesen. Trotz seiner Vorteile konnte LBM konventionelle Fertigungsmethoden noch nicht ersetzen, was auf mangelnde Reproduzierbarkeit, fehlende Prozessüberwachung und Qualitätskontrolle zurückgeführt werden kann. Um die Anwendung von LBM zu fördern, sind eine umfassende Dokumentation der Prozessergebnisse und zugehörige Analysemethoden erforderlich. Durch die Bereitstellung von Daten über den Produktionsprozess können strahlgeschmolzene Bauteile in Anwendungsbereichen mit strikten Qualitätsanforderungen eingesetzt werden. Zusätzlich ermöglichen die Analyseergebnisse die Prozessoptimierung für Bauteile mit schwierigen geometrischen Strukturen, wie dünnwandigen Elementen oder Überhangflächen. Diese Arbeit beschreibt ein Bildgebungssystem mit optimierter Beleuchtung zur Aufnahme von hochauflösenden Schichtbildern (20-30 µm/px) von Pulverbett und Schmelzergebnis, mit dem bestehende Strahlschmelz-Anlagen nachgerüstet werden können. Automatische Bildanalysemethoden zur Fehlerdetektion und Vermessung, sowie ein Prozessdokumentationsformat vervollständigen das Inspektionssystem für das Laser-Strahlschmelzen. Überhöhte Bauteilregionen stellen ein großes Risiko für die Stabilität des Bauprozesses dar, weshalb bei der Optimierung der Prozessparameter oft eine Reduzierung der überhöhten Bauteilfläche angestrebt wird. Detektionsmethoden für Schichtbilder von Pulverbett und Schmelzergebnis werden beschrieben und Messungen zur quantitativen Bewertung der Bauprozessstabilität werden definiert. Da die Wahrscheinlichkeit von Bauteilüberhöhungen sowohl von Prozessparametern als auch der lokalen Bauteilgeometrie abhängen, z.B. dem Winkel von Überhangflächen, wird die Machbarkeit einer Vorhersage der Baustabilität basierend auf Überhöhungsdetektionsergebnissen und der Analyse der Bauteilgeometrie untersucht. Komplexe Bauteilgeometrien, z.B. interne Kühlkanäle in Werkzeugen, sind unzugänglich für Messinstrumente, was die Qualitätskontrolle nach der Herstellung erschwert. Deshalb ist eine in-situ-Prüfung erforderlich, um die Maßhaltigkeit dieser Strukturen zu verifizieren. Hierzu werden Kontursegmentierungsmethoden für Schichtbilder des Schmelzergebnisses verglichen, um eine automatische in-situ-Prüfung bereitzustellen. Die Oberflächentopographie strahlgeschmolzener Schichten wird üblicherweise mikroskopisch untersucht, um die Qualität des Schichtverbund zu bewerten. Die hohe Auflösung der Schichtbilder ermöglicht die Prüfung der Oberflächentopographie über die Berechnung eines Merkmals, das die Deutlichkeit der geschmolzenen Laserspuren bewertet. Das Dokumentationssystem und die zugehörigen Analysemethoden ermöglichen die Prüfung und Qualitätskontrolle des Strahlschmelzprozesses und helfen so, die Technologie für weitere Anwendungen zu etablieren.

Laser beam melting (LBM) is an additive manufacturing (AM) method which enables the layer-based production of three-dimensional parts from metal powder. AM enables complex geometries which are not manufacturable by conventional, subtractive methods. In recent years, LBM has matured from a rapid prototyping method to a rapid manufacturing method which is used for production of individual parts or small batches, e.g. spare parts or dental prosthetics. In spite of its advantages, LBM still has not replaced conventional manufacturing methods for suitable applications which can be attributed to a lack of reproducibility, process monitoring and quality assurance. To enable widespread application of LBM, comprehensive process documentation of process results and associated analysis methods are required. By providing data about the production process, parts from LBM may be utilized in application areas with strict quality requirements. Additionally, the analysis results enable process optimization for parts with challenging geometrical features, such as thin walls or overhanging structures. This work describes an imaging setup with optimized lighting for acquisition of high resolution layer images (20-30 μm/px) of powder bed and exposure results which can be retrofitted. Automatic image analysis methods for error detection and measurement and a process documentation format complete the inspection system for LBM. Elevated part regions pose a major risk for build stability which is why process parameter optimization often focuses on reducing elevated part region area. Detection methods working on layer images of the powder bed or melt result are described and measurements for quantitative evaluation of build job stability are defined. As the probability of elevated part region formation depends on both process parameters and local part geometry, e.g. the angle of overhanging surfaces, the feasibility of predicting build stability based on elevation detection results and analysis of part geometry is examined. Complex part geometries, e.g. internal cooling channels in tools, which are inaccessible for measuring tools, complicate post-process quality assurance. Therefore, in-situ inspection is required to verify the dimensional accuracy of these structures. To this end, contour segmentation methods for layer images of the exposure result are compared to provide automatic in-situ geometry inspection. The surface topography of produced layers indicates the quality of the compound and is usually assessed by microscopy. The high resolution of layer images enables inspection of surface topography by computing a feature which rates the prominence of laser scan lines in layer images. The documentation system and the associated analysis methods enable process inspection and quality assurance in LBM thereby helping to establish this technology for more applications.

OpenAccess:
PDF
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