Electron beam powder bed fusion (PBF-EB) is a high-power additive manufacturing technology for the efficient processing of complex metallic materials. The process characteristics like high-temperature and high-vacuum conditions render it suitable for the production of parts in highly demanding industries, e.g., aerospace or the medical technology sector. These application fields are linked to high requirements considering the quality of the manufactured parts. The current PBF-EB process technology cannot ensure full compliance with these requirements. One main reason for this circumstance is the lack of reliable tools for process monitoring due to the harsh conditions inside the PBF-EB build chamber. To overcome this limitation, the current thesis investigates how the in-situ acquisition of electron-optical (ELO) images of the build area may be used to monitor the build process and predict the quality of the manufactured parts. By measuring electrons emitted from the beam-material interaction, spatial information on the status of the build area is gathered, while drawbacks associated with alternative approaches are circumvented. For this purpose, an electron detector was integrated into the PBF-EB build cycle for the layer-wise acquisition of ELO images. The data is analyzed and optimized with respect to imaging accuracy and signal strength. Features of the molten slices are extracted and compared to reference data acquired by post-process X-ray computed tomography (XCT). The investigation reveals that in-situ ELO imaging provides high-quality information about the status of the molten slices, which strongly correlates to the quality of the as-built part. On the one hand, this is shown for surface defects leading to internal porosity, which can be reliably predicted for defects larger than 0.2 mm. On the other hand, also the dimensional accuracy of the manufactured parts is determined with an accuracy of up to 0.1 mm. Stronger deviations and uncertainties of the approach are related to processing parameters and the target geometry and traced back to the spatiotemporal limitations of the imaging principle. The demonstrated prediction capabilities exceed those of any other approach reported so far in metal additive manufacturing. Thus, the investigation provides a solid basis for using ELO imaging as a high-performance tool for effective monitoring of PBF-EB processes.

Das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen (PBF-EB) ist eine leistungsstarke Technologie für die effiziente Verarbeitung komplexer metallischer Werkstoffe mittels Additiver Fertigung. Charakteristische Verarbeitungsbedingungen, wie die hohe Prozesstemperatur und das vorhandene Hochvakuum, prädestinieren das Verfahren für die Herstellung von Bauteilen in anspruchsvollen Industriezweigen, wie beispielsweise der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik. Diese Anwendungsfelder sind gleichzeitig mit hohen Anforderungen hinsichtlich der Qualität der gefertigten Bauteile verknüpft. Die Erfüllung dieses Anforderungsprofils wird von der gegenwärtigen PBF-EB-Prozesstechnologie jedoch nur unzureichend sichergestellt. Ein Hauptgrund hierfür liegt in einem Mangel an zuverlässigen Methoden zur Prozessbeobachtung, welcher auf die herausfordernden Bedingungen innerhalb der PBF-EB-Baukammer zurückzuführen ist. Die vorliegende Arbeit untersucht daher die Möglichkeit zur Nutzung elektronen-optischer Bildgebung (ELO) zur schichtweisen Überwachung des Bauprozesses und zur Vorhersage der resultierenden Bauteilqualität. Die Messung emittierter Elektronen, welche aus der Wechselwirkung zwischen Elektronenstrahl und Material resultieren, ermöglicht dabei die Erfassung räumlich aufgelöster Informationen zum Zustand der Baufläche. Die typischen Probleme bei Verwendung konventioneller Messmethoden werden gleichzeitig umgangen. Hierfür wurde ein Elektronendetektor in den PBF-EB-Bauzyklus eingebunden, um die schichtweise Aufnahme von ELO-Bildern zu ermöglichen. Die Bilddaten werden analysiert und hinsichtlich Abbildungsgenauigkeit und Signalstärke optimiert. Merkmale der Schmelzflächen werden extrahiert und mit Referenzdaten des „as-built“ Bauteils verglichen, welche mittels einer dem Prozess nachgelagerten Röntgen-Computertomographie-Messung (XCT) erfasst wurden. Die Untersuchung zeigt auf, dass die vorgestellte in-situ Bildgebung hochwertige Informationen zum Zustand der Schmelzflächen liefert, welche stark mit der Qualität der gefertigten Bauteile korrelieren. Dies wird zum einen anhand von Oberflächendefekten demonstriert, welche ursächlich für Bauteilporosität sind. Diese Porosität kann für eine Defektgröße über 0,2 mm mit der vorgestellten Methode zuverlässig prognostiziert werden. Andererseits wird aufgezeigt, dass auch die Maßgenauigkeit der gefertigten Bauteile mit einer Genauigkeit von bis zu 0,1 mm vorhergesagt werden kann. Stärkere Abweichungen und Ungenauigkeiten der vorgestellten Methode werden mit Prozessparametern und den Merkmalen der Zielgeometrie in Beziehung gesetzt und auf die räumlichen und zeitlichen Einschränkungen des Bildgebungsprinzips zurückgeführt. Die ermittelten Vorhersagefähigkeiten der vorgestellten Methode übersteigen dabei die aller Alternativansätze, welche bisher für die Additive Fertigung von metallischen Bauteilen berichtet wurden. Die vorliegende Untersuchung liefert damit die fundierte Grundlage für eine leistungsstarke Prozessüberwachung des PBF-EB-Verfahrens mittels in-situ ELO-Bildgebung.