InSensa – In-Prozess Sensorik und adaptive Regelungssysteme für die additive Fertigung

BMBF

Additive Fertigungsverfahren (ALM – Additive Layer Manufacturing), bei denen aus Metallpulver verschiedenste Bauteile gefertigt werden, gewinnen stetig an Bedeutung. Verschiedene Branchen wie die Luftfahrt, die Medizintechnik oder der Maschinenbau setzen verstärkt auf diese Technologie. Bereits heute sind dank der additiven Fertigung Produkte realisierbar, die mit herkömmlicher Technik nicht herstellbar wären. Zusätzlicher Nutzen besteht darin, dass diese Produkte häufig auch noch leichter sind und bessere Funktionseigenschaften (z. B. Härte) aufweisen.

Allerdings verfügen die Anlagen oft nur über wenige Sensoren und erkennen Fehler daher nur unzureichend. Auch fehlen Regelungen, die auf unvorhergesehene Störungen reagieren können. Deshalb leidet die Bauteilqualität und das Verfahren hat eine vergleichsweise hohe Fehlerquote, was mit unnötigen Folgekosten einhergehen kann. Weiterhin liegen Aufgaben in der Zuordnung von Prozessgrößen und Bauteilfehlern sowie in der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Messdatenerfassung.

Ziel des geplanten Forschungsvorhabens „InSensa“ ist die Integration von Sensor- und Regelungstechnik in die 3D-Druck Anlagen zur Senkung der Fehlerquote. Bauteilfehler sollen bereits während des Produktionsprozesses erkannt und bei anschließenden Bauvorgängen verhindert werden. Durch ein Programm lernt die Anlage selbst von ihren Fehlern und gibt sie auch an vergleichbare Anlagen weiter. Hierbei soll auch der Einsatz von Maschinenlernverfahren aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz erprobt werden.

Es sollen verschiedene Sensoren integriert und weiterentwickelt werden, die den Zustand in der Anlage sicher erfassen können. Vorgesehen sind hierfür Strahlungssensoren, Topografiesensoren, sowie Kamerasysteme für den sichtbaren und nichtsichtbaren Infrarot-Bereich. Dadurch können verschiedene Parameter, wie das Prozessleuchten, die Form der Bauteiloberfläche und die Abmessungen beurteilt werden. Durch Kombination aller Messdaten wird ein Rückschluss auf die Qualität des Bauteils ermöglicht werden.

Weiterhin sollen Methoden und Regelkreise entwickelt werden, die schnell genug sind, um Prozessunregelmäßigkeiten zu erkennen und zu kompensieren (z.B. durch Anpassung der Laserleistung). Die Funktionalität von Sensorik und Prozessregelung soll an speziell definierten Probekörpern und Demonstratoren mit industriellem Charakter getestet werden.

Durch die Entwicklungen im Projekt, sollen der Bauteilausschuss um über 80% reduziert werden, und dadurch die Bauteilkosten durchschnittlich um 10% und die Durchlaufzeit um 30% reduziert werden.