Supervisión de procesos de alta precisión y detección de errores en la fabricación aditiva

Un reto clave es el análisis preciso del proceso de fusión láser capa por capa, ya que influye decisivamente en la calidad de los componentes. Como parte de la investigación para aumentar la estabilidad y eficacia del proceso, los estudiantes y el personal científico del Centro de Aplicaciones Láser (LAZ) de la Universidad de Aalen están llevando a cabo una observación global y dinámica del proceso PBF-LB/M. En el contexto del control de procesos de alta velocidad con retroalimentación de temperatura, se investigan fenómenos como la formación de salpicaduras y humo, el comportamiento de solidificación y el movimiento seguro de componentes mecánicos durante la fabricación aditiva. Esto se complementa con un análisis estático de alta resolución de las geometrías de las capas de los componentes refundidos y la detección precisa de posibles defectos en las capas de polvo para poder extraer conclusiones bien fundadas sobre la calidad resultante de los componentes. Los componentes de imagen del proyecto de investigación son dos cámaras industriales USB3 de alto rendimiento de IDS Imaging Development Systems.

Dos cámaras industriales IDS ofrecen la información de imagen necesaria

Las dos tareas distintas requieren modelos de cámara diferentes. “Para la observación global y dinámica del proceso PBF-LB/M, como por ejemplo las salpicaduras o la formación de humo, utilizamos un modelo de la familia de cámaras USB 3 uEye CP. Para la identificación estática y de alta resolución de anomalías dentro de las capas de polvo, así como en las geometrías de las capas de componentes refundidas, se utiliza una cámara USB3 uEye de la serie SE», explica David Kolb, investigador del LAZ.

Requisitos de los sistemas de cámaras

Los requisitos de los dos sistemas de cámaras IDS son diferentes debido a sus ámbitos de aplicación en la PBF-LB/M.

“Dado que la fusión por láser de metales basada en lecho de polvo es un proceso de fabricación aditiva altamente dinámico en el que la pieza se genera capa por capa, se requerían principalmente las siguientes características para la observación global y dinámica: La cámara debe ofrecer una resolución superior a 1000 x 1000 píxeles y una velocidad de fotogramas superior a 100 fps, cubrir un campo de imagen de al menos 100 mm x 100 mm y disponer de un puerto de disparo para la grabación de vídeo», explica David Kolb la elección del modelo de cámara. La U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 seleccionada garantiza una excelente calidad de imagen incluso con poca luz o al grabar objetos en rápido movimiento. El sensor CMOS IMX273 con obturador global de la serie Pregius de Sony lo garantiza gracias a su alta sensibilidad y amplio rango dinámico. Con una resolución de 1,58 megapíxeles (1456 x 1088 px), alcanza una frecuencia de imagen de 251 fotogramas por segundo, ideal para análisis detallados de vídeo e imágenes de procesos dinámicos.

La secuencia de vídeo / imagen muestra el proceso PBF-LB/M capa por capa con diferentes parámetros láser, grabado con el U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 de IDS utilizando el software IDS peak. "Dependiendo de la configuración de la cámara industrial, se pueden observar y cuantificar diversas propiedades del proceso, como la evaporación del material o la cantidad y dirección de las salpicaduras durante la PBF-LB/M", afirma David Kolb al describir la aplicación.

Para determinar los parámetros del proceso, se fabricaron cúbicos mediante fabricación aditiva y se analizó el proceso global de fabricación utilizando la cámara USB 3 uEye CP. Esto permitió identificar los parámetros láser óptimos con los que se pueden producir nuevos tipos de componentes magnéticos blandos para motores eléctricos más eficientes del futuro a partir de la aleación de hierro-silicio con 6,5 % en peso de silicio (FeSi6,5), difícil de procesar. La semicarcasa del estator fabricada a base de FeSi6,5 permite una adaptación ideal a los requisitos especiales de las máquinas de flujo transversal gracias a su guiado optimizado y tridimensional del flujo magnético. La elevada resistencia eléctrica del material y la libertad de diseño del PBF-LB/M permiten reducir las pérdidas por corrientes parásitas, aumentar la densidad de potencia e integrar funciones adicionales, como estructuras de refrigeración. Tanto la compleja geometría como el frágil y blando material magnético FeSi6.5 son casi imposibles de producir o procesar con métodos de fabricación convencionales y requieren el uso de tecnologías de fabricación aditiva.

En cambio, para la observación estática y de alta resolución de capas de polvo o geometrías de capas de componentes, se requieren en particular las siguientes propiedades de la cámara, además de un puerto de disparo para la grabación de una sola imagen: El sensor debe ser capaz de detectar características geométricas por debajo de 40 µm para identificar defectos en las capas y ofrecer un campo de imagen de al menos 100 mm × 100 mm y una relación de imagen lo más cuadrada posible (1:1). Esto es exactamente lo que ofrece la cámara industrial U3-3990SE Rev.1.2 de 20,36 megapíxeles (4512 x 4512 px). Con el IMX541, dispone de un sensor CMOS de 1,1" de gran formato, alto rendimiento y resolución extremadamente alta de la serie Pregius S de Sony. La tecnología BSI ("Back Side Illuminated") utilizada permite utilizar píxeles más pequeños (2,74 µm) y una mayor resolución, así como mejorar la eficiencia cuántica y la sensibilidad.

"Gracias a las cámaras IDS, especialmente fáciles de usar e integrables de forma flexible, se pudieron realizar de forma rápida y sencilla los ajustes necesarios en la configuración de la prueba para poder colocar la USB 3 uEye SE específicamente en un ángulo definido", explica David Kolb. La observación casi vertical de las capas individuales de la geometría de los componentes de polvo proporcionará información valiosa sobre la calidad de los componentes y los posibles defectos de fabricación una vez que se hayan completado los ajustes finales. De este modo, se puede obtener información crucial sobre las propiedades de los componentes fabricados aditivamente y utilizarla específicamente para optimizar los procesos de fabricación.

Perspectiva

La investigación en el campo de PBF-LB/M es esencial para el desarrollo y el procesamiento de nuevas aleaciones de materiales y la producción de geometrías de componentes, a veces multimateriales, que mejoran el rendimiento. Un profundo conocimiento del proceso ayuda a minimizar los defectos y a realizar diseños innovadores que no serían posibles con los métodos de producción convencionales. Las cámaras IDS proporcionan una visión en profundidad de la PBF-LB/M y, por tanto, suponen una valiosa contribución a la investigación, el desarrollo y la transferencia (I+D+T), por ejemplo, en el procesamiento de nuevas aleaciones de materiales o la producción de componentes complejos optimizados para aplicaciones (multimateriales).

En el futuro, se utilizará la inteligencia artificial para analizar automáticamente la observación dinámica y estática del PBF-LB/M. El objetivo es comprender aún mejor la interacción altamente dinámica entre el láser y el material, como el número y la trayectoria de las salpicaduras y la formación de errores en el proceso, y seguir mejorando el proceso de fabricación aditiva en términos de eficiencia y sostenibilidad de los recursos.