Temperatur im WAAM-Prozess kontrollieren

Ist die Zwischenlage noch zu warm, führt das zu einem ungleichmäßigen Aufbauverhalten – die Schichtdicke würde zu stark variieren und die Geometrie des Bauteils nicht eingehalten. Die entsprechende Temperaturmesstechnik ist in der Maschine mit einem Pyrometer gelöst. Nach dem Abschluss einer Lage fährt der Schweißkopf zum Startpunkt der nächsten Lage, das Pyrometer misst dann dort die Temperatur des Bauteils. Und erst wenn diese auf den voreingestellten Wert gesunken ist, arbeitet die Maschine weiter.  „In den meisten Anwendungen haben wir für die Zwischenlagentemperatur einen Wert von 150 bis 200 °C eingestellt“, sagt der Entwicklungsingenieur: „Dies ist für die Reproduzierbarkeit der Schweißnahthöhe optimal.“

In den ARC-Maschinen, die Gefertec zukünftig ausliefert, sollen Pyrometer aus der CT-Serie von Optris eingebaut sein. Diese haben einen sehr kleinen Messkopf, der sich einfach in die Maschine integrieren lässt. Die separate Elektronikbox im Schaltschrank hat verschiedene Ausgänge, über die der Wert an die Steuerung der Maschine übergeben wird. Auf diese Weise wird die Zwischenlagentemperatur im Betrieb perfekt auf den passenden Wert eingestellt.

Um mit einem Pyrometer die Temperatur genau zu bestimmen, muss der Emissionsgrad bekannt und der Blick auf die Messoberfläche frei sein. Das ist nicht immer gegeben: „Mit unseren ARC-Maschinen können wir auch Bauteile aus Titan drucken, wobei allerdings eine starke Schmauch-Entwicklung nicht zu vermeiden ist“, erläutert Lange das Problem. In diesem Fall helfen Quotientenpyrometern, wie denen aus der CT-Ratio-Serie von Optris. Da hier das Verhältnis der Intensitäten bei zwei Wellenlängen gebildet wird, kann die Messung trotz gestörter Sicht zuverlässig erfolgen. „Deswegen werden wir die Pyrometer der CT-Ratio-Serie in Zukunft vermutlich in Maschinen einsetzen, wenn der Anwender damit Bauteile aus Titan drucken möchte“, sagt Lange.

Bei der Entwicklung der ARC-Maschinen und speziell bei der Qualifizierung der Prozesse kommen zusätzlich Infrarotkameras zum Einsatz. „Im Rahmen unserer Untersuchungen ist es von Vorteil, wenn man ein Gesamtbild aufnehmen kann und so eine räumliche Verteilung der Temperaturen erhält“, erklärt Martin Wolter, der als Schweißfachingenieur in der Prozessentwicklung bei Gefertec arbeitet. Dadurch lassen sich Temperaturverteilungen und Abkühlprozesse untersuchen, die für die Qualifizierung der Prozesse benötigt werden. Besonders hilfreich dabei ist eine Spotfinder-Infrarotkamera wie die Xi 400 von Optris. Diese hat eine optische Auflösung von 382 px × 288 px.

„Da der verwendete Spektralbereich in der aktuellen Infrarotkamera für den Einsatz an Metalloberflächen nicht optimal ist, erhalten wir nur eine qualitative Aussage und keine realen Temperaturen“, betont Wolter einen Nachteil der aktuellen Infrarotkamera. Um die tatsächlichen Temperaturen im Schmelzbad und in dessen Umgebung zu bestimmen, wird in Zukunft eventuell mit der PI 1ML eine neue Infrarotkamera von Optris eingesetzt, die speziell für Anwendungen mit Metallen konzipiert ist. Sie verwendet eine Messwellenlänge im Bereich von 1 µm; in diesem Spektralbereich ist der Emissionsgrad von Metallen deutlich höher als in dem üblichen Spektralbereich zwischen 8 und 14 µm. Dadurch sind genauere Temperaturmessungen möglich.

Die Infrarotkameras von Optris lassen sich über eine USB-Schnittstelle an einen PC anschließen, um so die aufgenommenen Bilder zu übertragen. Mit der Analyse-Software „PIX Connect“, die Optris zusammen mit den Infrarotkameras ausliefert, können die Thermografie-Bilder in Echtzeit ausgewertet werden. Auch das Archivieren der Aufnahmen soll mit der Software einfach sein.