Sensorische Prozessführung für das Laser-Pulver-Auftragschweißen

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Motivation und Einleitung

   Julian Ulrich Weber

   Das Kapitel führt in die Motivation und Zielsetzung der Dissertation ein, die sich mit der Prozessstabilität beim Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) befasst. Ein zentraler Fokus liegt auf den Herausforderungen, die bei der Kombination von Werkstoffen wie Nickel-Titan und Titan auftreten, insbesondere die Neigung zur Rissbildung und Delamination. Diese Defekte können bereits zu Prozessbeginn entstehen und führen zu kostspieligen Ausschussproduktionen, weshalb eine zuverlässige sensorische Prozessüberwachung essenziell ist. Der Text beschreibt den Aufbau der Arbeit, beginnend mit der Analyse des Stands der Wissenschaft und Technik, der Identifikation von Forschungslücken und der Entwicklung einer methodischen Herangehensweise. Ein zentrales Ergebnis ist die Entwicklung einer Bewertungsmethode für Sensorverfahren, wobei die Überwachung von luftschallbasierten akustischen Emissionen (AE) als besonders geeignet identifiziert wird. Anschließend wird ein Monitoringkonzept für die AE-Analyse erforscht, das die Korrelation zwischen Defektbildung und akustischen Signalen herstellt und ein Lokalisierungskonzept im Prozessraum entwickelt. Die Validierung der Konzepte erfolgt in realen LPA-Prozessumgebungen, wobei die In-Prozess-Fähigkeit des Monitoringsystems und ein Steuerungskonzept für die vollautomatisierte Prozesssteuerung im Mittelpunkt stehen. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf zukünftige Forschungsbereiche gegeben. Der Text bietet damit einen umfassenden Überblick über die systematische Entwicklung und Validierung eines innovativen Ansatzes zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung.

   KI-Generiert

   Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.

   Originaltext anzeigen

3. 2. Stand der Wissenschaft und Technik

   Julian Ulrich Weber

   Zusammenfassung

   Das folgende Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Wissenschaft und Technik zu den relevanten Themen des Forschungsziels. Hierdurch wird die Grundlage des Forschungsbedarfs erarbeitet.

4. 3. Methodischer Aufbau der Arbeit

   Julian Ulrich Weber

   Das Kapitel widmet sich dem methodischen Aufbau einer Arbeit, die ein akustisches In-Prozess-Monitoringsystem für das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) von Nickel-Titan (NiTi)-Strukturen auf Titanbauteilen entwickelt. Der Fokus liegt auf der Identifikation und Überwindung von Herausforderungen wie Rissbildung und Delamination, die während des Prozesses auftreten können. Zunächst werden die zentralen Forschungsfragen abgeleitet: Welches Messverfahren oder Sensorsystem besitzt das größte Potential zur Erkennung kritischer Defekte? Welche luftschallbasierten akustischen Emissionen treten auf und wie korrelieren sie mit der Defektentstehung? Und wie lassen sich zeit- und frequenzaufgelöste akustische Prozessemissionen in ortsaufgelöste Informationen überführen? Anschließend wird die methodische Vorgehensweise beschrieben, die sich am Produktentwicklungsprozess der VDI 2221 orientiert. Dabei wird in drei Phasen vorgegangen: Analyse, Konzeptentwicklung und Validierung. In der Analysephase wird eine Bewertungsmethodik für Sensorsysteme erstellt, um deren Potentiale für den LPA-Prozess zu erheben. In der Konzeptphase werden Teilsysteme für die zeit- und frequenzaufgelöste sowie die ortsaufgelöste Analyse der akustischen Emissionen entwickelt. Abschließend erfolgt die Validierung unter realen Prozessbedingungen, um die Praxistauglichkeit des Monitoringsystems zu überprüfen. Das Kapitel liefert damit einen fundierten Überblick über die systematische Entwicklung eines innovativen Ansatzes zur Prozessüberwachung, der sowohl die Erkennung als auch die Lokalisierung von Defekten ermöglicht.

   KI-Generiert

   Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.

   Originaltext anzeigen

5. 4. Potentialbewertung sensorischer Messverfahren

   Julian Ulrich Weber

   Das Kapitel untersucht systematisch das Potential verschiedener sensorischer Messverfahren für das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), insbesondere zur Detektion von Rissen und Delaminationen in NiTi-Strukturen. Zunächst wird ein fünfstufiges Bewertungssystem vorgestellt, das auf einer Literaturrecherche basiert und sowohl Kosten- als auch Nutzenfaktoren berücksichtigt. Dabei werden 34 unterschiedliche Sensorkonfigurationen analysiert, die sich aus verschiedenen Sensorsystemen und deren Positionierung im Fertigungssystem ergeben. Besonders im Fokus stehen dabei optische, akustische und kontaktbasierte Messverfahren, deren Eignung anhand von Kriterien wie Messbereich, Robustheit, Integrationstyp und Identifizierbarkeit relevanter Qualitätsgrößen bewertet wird. Die Ergebnisse zeigen, dass akustische Messverfahren – insbesondere Luftschallmikrofone – ein besonders hohes Potential aufweisen, da sie flexibel einsetzbar sind und eine zuverlässige Detektion von Defekten ermöglichen. Anschließend werden die Prozessumgebung, die Defektentstehung und die akustischen Emissionen im LPA-Prozess detailliert charakterisiert, um konkrete Anforderungen an ein akustisches Monitoringsystem abzuleiten. Diese Anforderungen umfassen technische Spezifikationen wie Frequenzbereich, Abtastrate und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, aber auch praktische Aspekte wie Kosten und Integrationsmöglichkeiten. Abschließend wird ein Anforderungskatalog präsentiert, der sowohl Pflicht- als auch Wunschkriterien enthält und als Grundlage für die Entwicklung eines akustischen In-Prozess-Monitoringsystems dient. Das Kapitel bietet damit eine fundierte Entscheidungsgrundlage für die Auswahl und Implementierung geeigneter Sensorkonfigurationen im LPA-Prozess und zeigt auf, wie durch gezielte Prozessüberwachung die Qualität von additiv gefertigten Strukturen nachhaltig verbessert werden kann.

   KI-Generiert

   Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.

   Originaltext anzeigen

6. 5. Experimentelle Konzeption des akustischen Monitoringsystems

   Julian Ulrich Weber

   Das Kapitel widmet sich der experimentellen Konzeption eines akustischen Monitoringsystems für das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), das kritische Defekte wie Delaminationen frühzeitig erkennen soll. Im ersten Teil des Beitrags wird ein Teilsystem zur zeit- und frequenzaufgelösten Analyse akustischer Emissionen (AE) vorgestellt. Hier wird beschrieben, wie durch den Einsatz eines Richtmikrofons und spezifischer Signalfilter transiente akustische Ereignisse identifiziert werden können, die mit der Entstehung von Defekten korrelieren. Besonders im Fokus steht die Analyse von Frequenzbereichen um 12 kHz, die charakteristisch für kritische Defekte sind. Anschließend wird ein Verfahren zur Quantifizierung dieser Ereignisse vorgestellt, das auf der Auswertung von Schwellwerten und der Zeit bis zum Auftreten der ersten starken transienten Ereignisse basiert. Die Korrelationsanalyse zeigt, dass die Zeit bis zum ersten starken akustischen Event besonders stark mit dem Delaminationsgrad der LPA-Strukturen korreliert – ein zentrales Ergebnis für die Entwicklung eines In-Prozess-Monitoringsystems. Im zweiten Teil des Kapitels wird ein Teilsystem zur ortsaufgelösten Lokalisierung von akustischen Emissionen entwickelt. Hier wird ein Laufzeitdifferenzverfahren (TDOA) eingesetzt, um die Position von akustischen Ereignissen im Raum zu bestimmen. Der Beitrag analysiert verschiedene Einflussfaktoren wie die Sensoranzahl, die Sensoranordnung und die Abtastrate auf die Lokalisierungsleistung. Besonders hervorzuheben ist die systematische Untersuchung unterschiedlicher Sensoranordnungen und Algorithmen zur Berechnung der Laufzeitunterschiede, die zu einer robusten und präzisen Lokalisierung führt. Die Ergebnisse zeigen, dass mit einer optimalen Sensoranordnung und dem Einsatz des Differenzquadrat-Verfahrens eine mittlere Lokalisierungsabweichung von unter 10 mm erreicht werden kann. Abschließend werden Einschränkungen des Konzepts diskutiert, insbesondere der Einfluss von Umgebungsgeräuschen und transienten Störsignalen, die die Lokalisierungsleistung beeinträchtigen können. Insgesamt bietet das Kapitel einen umfassenden Überblick über die Entwicklung und Validierung eines akustischen Monitoringsystems für die LPA-Prozessüberwachung, das sowohl die zeitliche als auch die räumliche Analyse von akustischen Emissionen umfasst und damit einen wertvollen Beitrag zur Qualitätssicherung in der additiven Fertigung leistet.

   KI-Generiert

   Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.

   Originaltext anzeigen

7. 6. Konzeptvalidierung

   Julian Ulrich Weber

   Zusammenfassung

   Die Validierungsphase beinhaltet die Validierung der entwickelten Monitoringkonzepte auf Basis von Kapitel 5. Ergebnis des folgenden Kapitels sind validierte Monitoringsysteme der Teilsysteme I und II, dessen Monitoringleistung unter In-Prozess Bedingungen untersucht wurden. Die Zusammenführung der Teilsystem ergibt ein gesamtes In-Prozess Monitoringsystem zur Überwachung von akustischen Emissionen und Einordnung von kritischen akustischen Ereignissen im LPA-Prozess.

8. 7. Schlussbetrachtung

   Julian Ulrich Weber

   Dieses Kapitel fasst die zentralen Ergebnisse der Forschungsarbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung eines sensorgestützten Monitoringsystems für das Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA), das auf akustischen Emissionen basiert. Zunächst wird die methodische Potentialbewertung verschiedener Sensorkonfigurationen erläutert, die zur Auswahl luftschallbasierter akustischer Emissionen als zielführend führte. Im Anschluss wird die Entwicklung des Monitoringsystems in zwei Teilsysteme unterteilt: Teilsystem I analysiert zeit- und frequenzaufgelöste akustische Prozessemissionen, während Teilsystem II die ortsaufgelöste Überwachung der akustischen Ereignisse ermöglicht. Besonders relevant ist die Identifikation einer starken Korrelation zwischen transienten akustischen Ereignissen und der Delamination von NiTi-Strukturen auf Ti-Bauteilen. Die Validierung unter Labor- und Prozessbedingungen zeigt, dass das System kritische Defekte mit einer Genauigkeit von bis zu 48,31 mm lokalisieren kann. Abschließend werden die Einschränkungen des aktuellen Systems diskutiert und ein Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten gegeben, darunter die Automatisierung der Prozesssteuerung, die Nutzung optischer Mikrofone und die Kombination mit Machine-Learning-Verfahren. Zudem wird die Übertragung des Monitoringsystems auf verwandte additive Fertigungsverfahren wie das PBF/LB-M-Verfahren vorgeschlagen.

   KI-Generiert

   Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.

   Originaltext anzeigen

9. Backmatter