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Anforderungen und Randbedingungen für den Einsatz optischer Messsysteme zur In-Line-Prüfung additiv gefertigter Bauteile

Additive Fertigungsverfahren, wie das selektive Laserstrahlschmelzen (SLM), entwickeln sich durch Verkürzung von Fertigungs- und Nacharbeitszeiten zunehmend vom reinen Prototypenbau (Rapid Prototyping) hin zu stückzahlflexibler Serienfertigung individueller Bauteile (Rapid Manufacturing). Trotz des hohen Potentials der werkzeuglosen Generierung von komplexen und individuellen Bauteilen bei nahezu uneingeschränkter Gestaltungsfreiheit herrscht dennoch Zurückhaltung für den Einsatz dieser Verfahren, aufgrund intolerabler Qualitätsmängeln hinsichtlich Gestalt und Festigkeit, welche hauptsächlich durch Schwankungen der Prozessparameter, wie Temperatur, Pulverqualität, etc., während der schichtweisen Fertigung verursacht werden. Um solche Fehler nicht erst – wie nach heutigem Vorgehen durch aufwändig und wirtschaftlichkeitsmindernd mit gebaute Rückstellmuster und Probekörper – nach der Fertigung zu detektieren, wird eine in den Fertigungsprozess eingebettete Qualitätsprüfung und eine daraus abgeleitete Prozessregelung immer wichtiger. Abhilfe soll eine inkrementelle In-Line-Messung schaffen, welche vor, während und nach jedem Schichtauftrag durchgeführt wird. Zur Konzeptionierung eines geeigneten Messsystems, welches zukünftig eine dynamische und vollautomatisierte Prozessregelung ermöglichen soll, wird der SLM-Prozess hinsichtlich messtechnischer Anforderungen (vertikale und laterale Sensorauflösung, Reflexionseigenschaften, etc.) und Restriktionen durch die Fertigungsanlage (nutzbarer Bauraum, Temperatur, Staub, etc.) analysiert. Darüber hinaus werden geeignete Sensoren, welche in einem In-Line-Messsystem bei einem SLM-Prozess für Polymere denkbar sind, auf ihre Eignung überprüft und bewertet. Abschließend wird ein mögliches Lösungskonzept basierend auf Streifenprojektion vorgeschlagen.

Additive manufacturing processes such as selective laser melting (SLM) are increasingly evolving due reduction of the manufacturing and reworking time from pure prototyping (rapid prototyping) into quantity flexible production of individual parts (rapid manufacturing). Despite the great potential of the tool-free generation of complex and individual components with almost unlimited freedom in design, reluctance still exists for the use of this manufacturing process because of inacceptable quality defects in shape and strength, which are mainly caused by process variations (temperature, energy density of the laser, powder quality, etc.) during the layered-base manufacturing. To detect such errors not only after the production – as in today's approach by complex uneconomic reference samples and specimens – a quality inspection embedded in the manufacturing process and a derived process control is becoming increasingly important. A possible solution presented in this paper is an incremental in-line measurement procedure, which is performed before, during and after each layer assembly. To determine an qualified measuring system, which will in future enable a dynamic and fully automated process control, the SLM-process is analyzed in consideration of its metrological requirements (vertical and lateral sensor resolution, reflection properties, etc.) and restrictions on the manufacturing machine (available space, temperature, powder material, etc.). In addition, appropriate sensors, which are feasible in an in-line-measuring-system for an SLM process for polymers, are tested and evaluated for their capability. Finally, a possible implementation concept is proposed based on fringe projection.