Wie Temperaturüberwachung die Präzision verbessert und Fehler bei der Lasermetallbeschichtung reduziert

Laser Metal Deposition mit weniger metallurgischen Defekten, Eigenspannungen und Verformungen

Laser Metal Deposition (LMD) ist ein fortschrittliches additives Fertigungsverfahren zur Herstellung oder Modifizierung komplexer 3D-Geometrien aus Metallen und Metall-Keramik-Verbindungen. Dabei erzeugt ein Laserstrahl auf einem metallischen Substrat ein Schmelzbad, in das kontinuierlich Metallpulver über eine Düse eingebracht wird. Dieses Verfahren wird auch für Reparatur- und Beschichtungsanwendungen eingesetzt und bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Präzision und Materialflexibilität. Typischerweise kommen Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder seltener CO₂-Laser (10,6 µm) zum Einsatz.

Die Temperaturüberwachung beim Laser Metal Deposition (LMD) ist entscheidend für die Verbesserung der Prozessqualität und -zuverlässigkeit. Durch die kontinuierliche Erfassung der thermischen Dynamik in Echtzeit können Bedingungen erkannt und vermieden werden, die zu metallurgischen Defekten wie Porosität, Rissbildung und geometrischen Verformungen führen. Zudem ermöglicht die Temperaturüberwachung eine präzise Feinabstimmung von Prozessparametern wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit, die direkt die Temperatur des Schmelzbads – und damit die Mikrostruktur sowie die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts – beeinflussen.

Darüber hinaus hilft die Temperaturüberwachung, die Auswirkungen verschiedener Auftragsstrategien auf die Wärmeverteilung zu kontrollieren und gleichmäßigere Ergebnisse zu erzielen. Sie spielt eine wesentliche Rolle bei der Bewertung und Minimierung von Eigenspannungen und Verformungen, insbesondere durch Anpassungen der Verweilzeit und anderer Prozessstrategien. Im Rahmen der Entwicklung geschlossener Regelkreise für die Online-Prozesssteuerung liefert die Temperaturüberwachung wertvolles Feedback, das die Prozessleistung verbessert und Defekte reduziert. Außerdem trägt sie zum besseren Verständnis der Beziehung zwischen thermischen Eigenschaften – wie Abkühlraten und Temperaturgradienten – und den mechanischen Eigenschaften der Bauteile bei. Durch die frühzeitige Erkennung von Auftragsfehlern gewährleistet die thermische Überwachung die strukturelle Integrität der Komponenten, verhindert Fertigungsfehler und optimiert die Gesamtqualität der Produktion.

Kurzwellige Infrarotkameras mit integriertem Lasersperrfilter für präzise Metalltemperaturmessung

Die Emissivität spielt eine zentrale Rolle für präzise Temperaturmessungen, da sie von vielen Faktoren abhängt und sorgfältig an die jeweilige Anwendung angepasst werden muss. Sie wird beeinflusst durch Materialeigenschaften, Oberflächenqualität, Temperatur, Wellenlänge, Messwinkel und die Messanordnung. Nichtmetallische Oberflächen weisen meist eine konstante Emissivität über verschiedene Wellenlängen auf, emittieren jedoch weniger Strahlung als ideale Schwarzkörperstrahler und werden daher als „graue Strahler“ bezeichnet. Metallische Oberflächen hingegen zeigen eine mit Temperatur und Wellenlänge variierende Emissivität und gelten als „selektive Strahler“.

Für die präzise Temperaturmessung von Metallen empfiehlt sich der Einsatz kurzwelliger Infrarotsensoren. Metalle emittieren bei höheren Temperaturen und kürzeren Wellenlängen intensiver und besitzen eine höhere Emissivität. In diesem kurzwelligen Bereich ähnelt die Emissivität von Metallen derjenigen von Metalloxiden, wodurch Messfehler aufgrund von Emissionsgradschwankungen minimiert werden.

Dabei muss jedoch die Wechselwirkung zwischen Laser und Material berücksichtigt werden, da gemäß dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz die Absorption eines Materials seiner Emissivität entspricht. Da Laser mit einer deutlich schmaleren Bandbreite als Infrarotkameras arbeiten, ist der Einsatz eines Notch-Filters unerlässlich, um hochenergetisches Laserlicht zu blockieren und Signalüberlagerungen zu vermeiden, die die Kamera beschädigen könnten.

Optris bietet speziell für Laseranwendungen entwickelte Infrarotkameras an. Die PI Infrarotkameras lassen sich einfach in unterschiedliche Systeme integrieren und unterstützen sowohl analoge als auch digitale Ausgänge. In manchen Maschinenkonfigurationen werden sie zusammen mit einem Linux-Computer verwendet, wobei das SDK genutzt wird, um maßgeschneiderte Softwarelösungen für optimale Prozesssteuerung und Systemintegration zu entwickeln.