Datenerfassung und Prozessregelung im WAAM Prozess

Arbeitspaket	4: Adaption und Übertragbarkeit der Prozessfähigkeit auf andere Bauteile 5: Qualitätsmonitoring
Konsortialpartner	Siemens, Uni Passau

Überblick

Die Zusammenarbeit zwischen der Universität Passau und Siemens basierte auf der Weiterentwicklung von ➭Prozessmonitoring-Verfahren für die mehrachsige additive Fertigung mittels Lichtbogenauftragsschweißen (Wire-Arc Additive Manufacturing / WAAM). Dabei hat die Siemens AG die experimentelle Arbeit, die Steuerungs- und Regelungstechnik, die Validierungsversuche sowie die weiterführende Datenanalytik der Schweißkamerabilder/-videos und der als Zeitreihen vorliegenden Prozessdaten übernommen.

Die Auswertung der Bilder der Schweißkamera einschließlich Bildvorverarbeitung und Feature-Extraktion sowie die Modellauswahl und das Training eines neuronalen Netzes wurden von der Universität Passau durchgeführt.

Einer der Kernpunkte war die Entwicklung einer Prozessregelung für WAAM zur Prozessstabilisierung. Im WAAM-Prozess ist die Einhaltung des richtigen Abstands zwischen Schweißbrenner und Bauteil entscheidend, um Kollisionen und Prozessfehler zu vermeiden. Es wird in der Fertigungsplanung des Bauteils vorab versucht, diesen Arbeitsabstand möglichst exakt zu definieren. Dies ist aber vor allem bei der Pfadplanung von komplexeren Bauteilen schwierig umsetzbar. Darüber hinaus ist das Temperaturmanagement im WAAM-Prozess komplex, sodass die Lagenhöhe im Laufe der Bauteilefertigung auch bei gleichen Prozessparametern veränderlich ist. Die interne Regelung während des Prozesses in Echtzeit gleicht diese Ungenauigkeiten aus, wodurch die Fertigung auch kleiner Stückzahlen wesentlich beschleunigt und vereinfacht wird. Die Prozessregelung adaptiert in diesem Fall die Verfahrgeschwindigkeit des Schweißroboters, wodurch die Schichthöhe schnell adaptiert werden kann.

Messung des Abstands zwischen Schweißbrenner und Bauteil

Highspeed-Video (GIF) des WAAM-Prozesses

Für die Messung des Abstands wurden verschiedene Sensor-Konzepte (Strom/Spannungssensoren, akustische Sensoren, ➭Spektrometer, Schweißkamera, etc.) hinsichtlich quantitativer und qualitativer technischer sowie wirtschaftlicher Kenngrößen analysiert. Dabei stellte sich heraus, dass die Schweißkamera aufgrund ihrer Fähigkeit geometrie- und richtungsunabhängig die Schichthöhe zu bestimmen, am geeignetsten für eine unidirektionale stabile Prozessregelung ist. In den Schweißkamerabildern lässt sich aufgrund der Perspektive und der wechselnden Geometrie der Abstand nicht direkt bestimmen. Stattdessen wurde der oszillierende Schweißdraht als räumliche Orientierung herangezogen. Verfahrensbedingt taucht der Draht periodisch ins Schmelzbad ein, um den Stromkreis zu schließen. In diesen Momenten entspricht die Drahtlänge (Stick-Out) dem Düsen-Arbeitsabstand. Als Hindernis ist an dieser Stelle die im Vergleich zum Produktionsprozess niedrigere Aufnahmefrequenz zu nennen, sodass die oszillierende Drahtbewegung nicht als Ganzes aufgelöst werden kann. Durch Beobachten der Drahtlänge in einem hinreichend großen Zeitfenster kann jedoch auf den momentanen Abstand zwischen Schweißbrenner und Bauteil über einen Durchschnittswert und einem Offset (verdeckter Bereich des Drahts sowie durchschnittlicher Abstand zwischen Drahtende und Bauteil) geschlossen werden, siehe WAAM - Bildbasierte Prozessüberwachung. Weitere Informationen können der Publikation , der Dissertationsarbeit sowie der Seite Prozessorientierter Digitaler Zwilling in WAAM entnommen werden.

Die Drahtlänge wurde nach der Erprobung verschiedener Bildanalyse-Algorithmen schließlich mittels eines Modells, basierend auf einem neuronalen Netz, aus den Schweißkamerabilddaten extrahiert. In der Erprobungsphase wurden klassische modellbasierte Bildverarbeitungsmethoden getestet. Sowohl Kantenextraktionsverfahren als auch detailliertere Orts-Frequenzraum-basierte Verfahren zur Informationsextraktion erwiesen sich als gleichermaßen ungeeignet, um die verfahrensbedingt starken, kontinuierlichen Änderungen der Hintergrund- und Lichtverhältnisse systematisch zu erfassen. Auch das Erscheinungsbild des Drahtes ändert sich permanent. So lässt er sich u. U. sehr schlecht vom Hintergrund abgrenzen, da der Draht je nach Lichtreflexion heller oder dunkler erscheint. Versuche der Modellbildung mit oben genannten Verfahren führten zu nicht-deterministischen Kaskaden von Fallunterscheidungen, die vor allem in Grenzfällen zu unpräzisen Ergebnissen führten. Da allerdings der Draht bzw. dessen Ausmaße mit dem menschlichen Auge durchaus nahezu immer zu erkennen sind, wurde als vielversprechende Methode ➭Machine Learning (genauer der Einsatz eines ➭neuronalen Netzes) gewählt. Nach einer Kalibrierung der Anlage und der Bildgebung wurden für den Aufbau und das Training eines neuronalen Netzes, konkret eines Deep ➭Convolutional Neural Networks (DCNN), über 5000 Bilder gelabelt.

In der Offline-Analyse erwies sich das trainierte Netz als robust bezüglich perspektivischer Änderungen, unterschiedlichen Geometrien und wechselnden Umgebungsverhältnissen. Die Prädiktionsfehler im Generalisierungsfall lagen stets im Toleranzbereich. Das Netz ist in der Lage die Drahtlänge in Echtzeit vorherzusagen, da die Berechnung der momentanen Drahtlänge aus einer Einzelaufnahme auf der ➭CPU eines Standard Desktop PCs weniger als 30ms beträgt. Ein erneutes Training des Netzes sowie Optimierungen an der Netzwerkarchitektur ermöglichten eine nochmals robustere Drahtlängenerkennung entnommen werden. Weitere Bildanalysemethoden, welche sich mit der Segmentierung zur Drahterkennung sowie der Schweißspratzer- und Dralldetektion auseinandersetzen, werden auf der Seite WAAM - Bildbasierte Prozessüberwachung vorgestellt

Prozessregelung

Messung der Distanz zwischen Schweißbrenner und Bauteil beim WAAM-Prozess als Eingangsgröße für die Prozessregelung

Auf Basis der Abstandsmessung zur Schichthöhenbestimmung wurde eine Abstandsregelung erstellt. Dazu wurde im ersten Schritt eine Systemidentifikation vorgenommen, mit der Prozessparameter in Relation zu der Schweißnahtgeometrie gesetzt wurden. Es konnte eine hohe Korrelation zwischen Schweißnahthöhe und Schweißgeschwindigkeit festgestellt werden.

Im zweiten Schritt fand die Konzeptionierung und Implementierung des Reglers statt. Anstatt im Fall einer Abstandsabweichung den Schweißbrenner zu repositionieren, werden die Schweißgeschwindigkeit und so die Schmelzbadgeometrie gezielt beeinflusst. Es wurde ein Regler eingesetzt, mit dessen Hilfe eine Änderung des Abstands in einer unmittelbaren Anpassung der Schweißgeschwindigkeit resultierte. Die Funktionsfähigkeit der Abstandsregelung wurde durch die Herstellung komplexer mehrachsiger Teile validiert . Insbesondere musste keine weitere Prozessparameteroptimierung vorgenommen werden. Technische und methodische Details sind in einer Publikation zu finden.

In einem nächsten Schritt wurden zur Ergänzung der Abstandsreglung auch eine Breitenregelung untersucht. Dazu wurde ein analytisches Schweißbadmodell erstellt, welches den Volumenauftrag mit der Schweißnahtgeometrie in Verbindung setzt. Dieses Modell wurde genutzt um über eine Anpassung des Drahtvorschub die Einhaltung einer konstanten Schweißnahtbreite sicherzustellen. Durch die simultane Anpassung der Schweißgeschwindigkeit und der Drahtvorschubgeschwindigkeit war es möglich, die Streckenenergie trotz Prozesseingriff konstant zu halten, sodass eine Qualifizierung des Prozess über diesen Qualitätsparameter möglich wäre. Auch die Breitenregelung wurde anhand des Aufbaus von Beispielwänden verifiziert.

Weitere Details zur Prozessregelung sowie zu weiteren Prozesseingriffen sind der Dissertationsarbeit sowie der Seite Prozessorientierter Digitaler Zwilling in WAAM zu entnehmen.

Werkstückqualitätsüberwachung

Konzept-Übersicht Edge-basierte Geometrieerfassung

Ferner wurde durch die Siemens AG an der Entwicklung eines Systems zur prozessbegleitenden Überwachung der geometrischen Werkstückqualität gearbeitet. Im Gegensatz zu den an der FHWS durchgeführten Aktivitäten zur Qualitätsüberwachung liegt der Fokus hier auf mehrachsigen AM-Prozessen (WAAM, DED/LMD), die typischerweise von einer numerischen Bahnsteuerung (z. B. Sinumerik) geregelt und teilweise auch in Kombination mit subtraktiven Bearbeitungsmöglichkeiten in einer Maschine vereint werden. Mit Hilfe eines an der Maschinenkinematik mitgeführten Laserlinienscanners entsteht eine dreidimensionale ➭Punktewolke der Werkstückoberfläche, die während des Prozesses fortlaufend aktualisiert wird. Alternativ werden konzeptionell auch Tiefenkameras und Punktlaser unterstützt. Daraus ergeben sich nun zwei für die additive Fertigung relevante Anwendungsmöglichkeiten:

1. Zum einen lassen sich bestehende Werkstücke in der späteren Bearbeitungsaufspannung als Grundlage zur Planung von Additivoperationen im CAM System digitalisieren. Dies ist besonders für AM gestützte Reparaturverfahren („Füllen schadhafter Werkstückbereiche“) oder das Andrucken von Formelementen an konventionell gefertigte Rohteile hilfreich.
2. Andererseits ist eine Überwachung geometrisch tolerierter Werkstückfeatures möglich, sodass fehlerhafte Prozessläufe frühzeitig erkannt und korrigiert bzw. abgebrochen werden können. Hierzu wurde eine Schnittstelle geschaffen, um die nominelle Werkstückgeometrie inklusive der ➭ISO Toleranzinformationen (z. B. Ebenheit) direkt aus der Konstruktionsumgebung auf die Maschine zu transferieren. Abweichungen in Form und Lage werden dem Bedienpersonal über eine Web-basierte Bedienoberfläche signalisiert.

Das entwickelte System basiert auf der ➭Edge-Computing Plattform der Siemens AG für den Werkzeugmaschinensektor und hat damit gute Chance auf eine wirtschaftliche Verwertung. Der im Projekt gewählte, generische Ansatz mit weitgehender Unabhängigkeit von Sensor-Typ und Hersteller hat dabei aber eine Reihe von Herausforderungen aufgezeigt, die einer unmittelbaren Produktumsetzung im Wege stehen. Insbesondere erfordern die Synchronisierung der Sensorinformationen mit den Bewegungsdaten und die Datenverarbeitung zur Berechnung der Gestaltabweichungen auf Grundlage der Rohdaten noch weitere Forschungsarbeit.

Für weitere Details siehe Edge-basierte Geometrieerfassung