Optische Prozess- und Fertigungsmesstechnik für additives Lichtbogenschweißen

Richter, Andreas

doi:10.21268/20250415-0

published

Optische Prozess- und Fertigungsmesstechnik für additives Lichtbogenschweißen

German
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Bei der additiven Fertigung wird im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung Material aufgetragen und nicht von einem Rohling abgetragen. Die additive Fertigung wird derzeit für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien eingesetzt. Eine auch im privaten Hobbybereich verbreitete additive Fertigungstechnik ist der dreidimensionale (3D) Druck mit Kunststoffen. Dabei wird ein Filament aus verschiedenen thermoplastischen Kunststoffen verwendet. Für die industrielle Fertigung steht hingegen der 3D-Druck von Metallen im Mittelpunkt des Interesses. In dieser Arbeit wird das additive Lichtbogenschweißen für Stahl messtechnisch untersucht. Das additive Lichtbogenschweißen wird international als Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) bezeichnet. Mit WAAM können beispielsweise Schiffspropeller oder Schaufelräder hergestellt werden. Darüber hinaus können mit WAAM im Vergleich zur subtraktiven Fertigung komplexere Bauteile hergestellt werden.
In dieser Arbeit wird WAAM im laufenden Prozess mit optischen Messmethoden untersucht. Dazu wird ein Quotientenpyrometer entwickelt. Dieses Messsystem misst die Temperatur des Schmelzbades orts- und zeitaufgelöst. Durch die Berücksichtigung der Schmelzbadtemperatur ist es zudem möglich, die geometrische Größe des Schmelzbades während des laufenden Prozesses berührungslos mit der Bildrate einer Kamera zu erfassen. Das Quotientenpyrometer unterdrückt das Spektrum des Plasmas mit Hilfe von schmalbandigen optischen Bandpassfiltern. Dieses Spektrum ist kammartig und hängt von den verwendeten Schweißzusätzen ab. Da zwei Kameras das Bild bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen aufnehmen, kann aus zwei Aufnahmen die Temperaturverteilung auf der Oberfläche des Schmelzbades bestimmt werden. Das Signal der Schmelzbadgeometrie wird in weicher Echtzeit, mit definierter maximaler Latenz, gewonnen und kann somit für einen Regler verwendet werden. Dies ermöglicht eine Inline-Regelung des Prozesses. Als Eingangsgröße des Reglers wird die gemessene Schmelzbadgröße verwendet. Mit dem geschlossenen Regelkreis wird ein Zylinder mit einer Verbesserung der Rechtwinkligkeit und Parallelität des Mantels nach DIN EN ISO 1101 gegenüber dem offenen Regelkreis hergestellt.
Für die Prozessmesstechnik wird die Anwendbarkeit der kohärenten Rasterinterferome- trie (engl. Coherence Scanning Interferometry CSI) zur Erfassung der Schwindung während des Abkühlprozesses untersucht. Um die Eignung der CSI für diese Aufgabenstellung zu evaluieren, wird die Oberflächengeometrie eines additiv gefertigten Zylinders während des Abkühlprozesses von 300 °C vermessen. Dazu werden aus den CSI-Daten tiefenscharfe Oberflächenbilder bei verschiedenen Temperaturen für eine Geometriemessung bestimmt. Diese Bilder werden verwendet, um Punkte auf der Oberfläche während der Abkühlung horizontal zu verfolgen. Mit Hilfe der gewonnenen Topologiedaten ist auch eine Tiefenverfolgung möglich. Aus den Abstandsänderungen der Punkte untereinander werden die Längenänderung und die Dehnung ortsaufgelöst bestimmt. Problematisch ist der geringe Kontrast der tiefenscharfen Oberflächenbilder. Dies erschwert die Verfolgung von Materialpunkten und reduziert die Aussagekraft der Messung. Außerdem stören bei hohen Temperaturen Luftschlieren die Messung.

In additive manufacturing, unlike subtractive manufacturing, material is applied rather than removed from a blank. Additive manufacturing is currently used for the production of prototypes and small series. Three-dimensional (3D) printing with plastics is an additive manufacturing technique that is also widely used in the private hobby sector. This uses a filament made from various thermoplastics. For industrial production, on the other hand, 3D printing of metals is the focus of interest. In this thesis, additive arc welding for steel is investigated metrologically. Additive arc welding is internationally known as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). WAAM can be used to manufacture ship propellers or paddle wheels, for example. In addition, WAAM can be used to produce more complex components compared to subtractive manufacturing.
In this thesis, WAAM is investigated in the ongoing process using optical measurement methods. A quotient pyrometer is developed for this purpose. This measuring system measures the temperature of the melt pool with spatial and time resolution. By taking the melt pool temperature into account, it is also possible to record the geometric size of the melt pool during the ongoing process without contact using the frame rate of a camera. The ratio pyrometer suppresses the spectrum of the plasma with the aid of narrowband optical bandpass filters. This spectrum is comb-like and depends on the welding consumables used. As two cameras record the image at two different wavelengths, the temperature distribution on the surface of the weld pool can be determined from two images. The signal of the weld pool geometry is obtained in soft real time, with a defined maximum latency, and can therefore be used for a controller. This enables inline control of the process. The measured melt pool size is used as the input variable for the controller. The closed control loop produces a cylinder with improved perpendicularity and parallelism of the shell in accordance with DIN EN ISO 1101 compared to the open control loop.
For process measurement technology, the applicability of coherence scanning interferometry (CSI) for recording shrinkage during the cooling process is being investigated. In order to evaluate the suitability of CSI for this task, the surface geometry of an additively manufactured cylinder is measured during the cooling process at 300 °C. For this purpose, depth-focused surface images are determined from the CSI data at different temperatures for a geometry measurement. These images are used to track points on the surface horizontally during the cooling process. Depth tracking is also possible with the help of the topology data obtained. The changes in distance between the points are used to determine the change in length and elongation with spatial resolution. The low contrast of the depth-focused surface images is problematic. This makes it difficult to track material points and reduces the informative value of the measurement. In addition, air streaks interfere with the measurement at high temperatures.