Methode zur Korrektur von Prozesseinflüssen mittels adaptiver Prozessstrategien beim pulverbettbasierten Schmelzen

Der Prozess des pulverbettbasierten Schmelzens unterliegt umfangreichen Einflüssen und ist neben den Prozessparametern abhängig von komplexen Prozessphänomenen, die durch kinetische und thermodynamische Mechanismen bestimmt werden und in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Dimensionen ablaufen. Dadurch entsteht ein hochdynamischer Prozess, welcher auf geringe Veränderungen der Prozessrandbedingungen mit lokal unterschiedlichen Schmelzbedingungen und damit mit Prozessanomalien reagiert. Die Prozessanomalien wirken sich im Bauteil mit inhomogenen Eigenschaften und Defekten aus. Dies führt zu einer geringeren Reproduzierbarkeit des Prozesses und vermindert die Bauteilqualität. Die Herausforderung der lokal unterschiedlichen Prozessrandbedingungen wird in der Forschungsliteratur bereits umfangreich behandelt. Dabei werden verschiedene Ansätze zur Vorsteuerung und Regelung der Laserleistung untersucht, welche auf Grundlage von Schmelzbadmodellen oder Prozessüberwachungsdaten den Energiehaushalt homogenisieren sollen. Hierbei werden hauptsächlich geometriebasierte Einflussfaktoren betrachtet und anhand der Bauteilgeometrie validiert. Eine umfangreiche Betrachtung des resultierenden Schmelzprozesses und der resultierenden lokalen Bauteileigenschaften ist kein Bestandteil der bisherigen Forschungslandschaft. Eine weitere Forschungslücke ist die Versuchsdurchführung ausschließlich an einem System bestehend aus einer Anlage, einem Material und einem Prozessüberwachungssetup, wodurch vorausgegangene Forschungsergebnisse nicht ohne Expertenwissen auf andere Systeme übertragen werden können. Zur Verbesserung der Bauteilqualität im pulverbettbasierten Schmelzen und der damit einhergehenden verbesserten Marktfähigkeit des Prozesses wird die Forschungsfrage „Wie kann eine datengetriebene, lokal adaptierbare Prozessstrategie mit dem Ziel der Korrektur von Prozesseinflüssen zur Reduktion von Prozessanomalien und damit zu verbesserten Eigenschaften beitragen?“ behandelt. Zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragestellung werden zwei Ansätze zur Vorhersage des lokalen Prozesszustandes entwickelt, an verschiedenen Prozesseinflüssen erprobt und über die Abweichungen der Schmelzbahngeometrie sowie Dauerfestigkeitseigenschaften validiert und einander gegenübergestellt. Der erste Ansatz basiert auf einer Prozessadaption durch die Entwicklung einer dimensionslosen Kennzahl, welche auf der Berechnung aus Größen mit physikalischem Bezug zum Prozess beruht. Für den zweiten Ansatz wird eine Methode zur Korrektur von Prozesseinflüssen mittels Prozessüberwachungsdaten untersucht, welche über den relativen Vergleich von Prozessüberwachungsdaten zu einem eingefahrenen und unbeeinflussten Referenzprozess arbeitet. Beide Methoden werden abschließend auf eine anderes Fertigungssystem, bestehend aus einem anderen Werkstoff, einer anderen Anlage und einem anderen Prozessüberwachungssystem übertragen. Die Anwendung der methodisch ermittelten, adaptiven Prozessparameter homogenisiert die Schmelzbahngeometrie systemübergreifend bei gleichbleibender 50%-Dauerfestigkeit im Falle des Werkstoffs 316L. Dies bietet der Industrie eine direkt applizierbare Methodik, die ohne Domänenwissen auf alle Systeme gleichzeitig und mit geringem Aufwand übertragen werden kann. Die lokale Betrachtung des Prozesses ermöglicht, die im Stand der Forschung wenig untersuchten scanstrategiebasierten Prozesseinflüsse zu korrigieren. Damit ergeben sich Potentiale in der Herstellung schwer verarbeitbarer Werkstoffe, die sensibel auf Prozessveränderungen reagieren. Neben einer Qualitätsverbesserung des resultierenden Bauteils ist es mit dieser Homogenisierung möglich, ein definiertes Gefüge zu erzeugen. Aufbauend auf einem bekannten Gefüge durch den homogenisierten Schmelzzustand resultiert das Potential, gradierte Eigenschaften durch Parameterveränderungen zu realisieren.

The process of Powder Bed Fusion is subject to extensive influences and is dependent on complex process phenomena which are determined by kinetic and thermodynamic mechanisms and take place in different spatial and temporal dimensions. This results in a highly dynamic process that reacts to slight changes in the process boundary conditions with locally different melting conditions and thus with process anomalies. The process anomalies lead to inhomogeneous properties and defects and affect the quality of the component. This leads to a lower reproducibility of the process and reduces the component quality. The challenge of local transient thermal conditions has already been dealt with extensively in the research literature. Various approaches for pre-control and control of the laser power are being investigated, which are intended to homogenize the energy distribution based on melt pool models or process monitoring data. Here, geometry-based influencing factors are mainly considered and validated on the component geometry. A comprehensive consideration of the resulting melting process and the resulting local component properties is not conducted in the previous research work. In addition, the investigations in prior research are only carried out on one system consisting of one machine, one material and one process monitoring setup and can therefore not be transferred to other systems without expert knowledge. The research question “How can a data-driven, locally adaptable process strategy with the aim of correcting process influences contribute to the reduction of process anomalies and thus to improved properties?” is addressed to improve component quality and marketability of Powder Bed Fusion. To answer the scientific question, two approaches for predicting the local process state are developed, tested for different process influences and validated and compared via the deviations of the melt path geometry and fatigue strength properties. The first approach is based on a process adaptation through the development of a dimensionless number, which is based on the calculation from variables with a physical reference to the process. For the second approach, a method for the correction of process influences by process monitoring data is examined, which is based on the relative comparison of process monitoring data to an established, unaffected reference process. Finally, both methods are transferred to a different production system consisting of a different material, a different machine and a different process monitoring system. The application of the methodically determined adaptive process parameters homogenizes the melt path geometry across all systems while maintaining the 50% fatigue strength for the material 316L. This offers the industry a directly applicable methodology that can be rolled out to all systems simultaneously with little effort and without domain knowledge. The local consideration of the process enables the correction of the scan strategy-based process influences that have been poorly investigated in the current state of research. This opens potential in the production of hardly processable materials that react sensitively to process changes. In addition to improving the quality of the resulting component, this homogenization enables the production of a defined microstructure. Building on a known microstructure through the homogenized melt state, the potential results in the realization of graded properties through parameter changes.