WAAM - Bildbasierte Prozessüberwachung

Ein stabiler Lichtbogenschweißprozess ist entscheidend um qualitativ hochwertige WAAM-Bauteile zu produzieren. Der WAAM Prozess ist charakterisiert durch komplizierte physikalische, chemische, thermische und metallurgische Eigenschaften. Eine ungeeignete Parametrisierung führt zu einer Reihe von mikro- und makroskopischen Defekten wie Porenbildung, Spratzer, Oxidation, etc. welche besonders in einer ungleichmäßigen Schweißraupenhöhe kulminieren. Dies überträgt sich auf die nächste Schicht und verändert dadurch den Schweißabstand und somit den Lichtbogenschweißprozess. Herkömmliche WAAM-Systeme haben keine schichtinterne Materialauftragskontrolle und das "Einfahren" einer Anlage auf bestimmte Bauteile ist daher zeitaufwendig und somit teuer. Je komplexer die zu fertigenden Bauteile sind, desto schwieriger ist es, vorab eine geeignete Parametrisierung (Schweißgeschwindigkeit, Drahtvorschub, etc.) festzulegen um eine gleichmäßige Form der Schweißraupen zu garantieren. Bestimmte Bauteile können auf Grund ihrer komplexen Geometrie u.U. überhaupt nicht gedruckt werden. Um WAAM vielseitiger in der Fertigung einsetzen zu können, wurden auf Basis von Bilddaten einer Schweißkamera Algorithmen entwickelt, welche Unregelmäßigkeiten während des Schweißens detektieren können und darauf aufbauend Kompensationsstrategien ermöglichen.

Echtzeit Überwachung des Schweißabstands

... als indirekte Methode zur Erfassung der Schweißraupenhöhe. Der gesuchte Abstand setzt sich zusammen aus der Schweißdrahtlänge und einem konstanten nicht sichtbaren, durch die Kamerakalibrierung aber bekannten Anteil.

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  Schweiß-Kamera im Abstand von 20cm zum Schweißgerät.

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  Schweiß-Kamera Aufnahme während des Prozesses. Schweißabstand (rot).

Wie?

... mit Hilfe eines Daten getriebenen Ansatzes, d.h. mit Methoden des Machine Learning. Ein neuronales Netzwerk, speziell geeignet für semantische Segmentierung, wurde auf Schweißkamera Bilder adaptiert und trainiert um den Schweißdraht in seiner Form und Position zu erkennen. Da der Draht verfahrensbedingt regelmäßig in das Schmelzbad taucht um einen Kurzschluß auszulösen, lässt sich dem entsprechend der Abstand aus den längsten Drahtlängen ableiten. Ausserdem lässt sich aus einer Drahtrepresentation der Schwerpunkt ableiten, dessen horizontale Komponente herangezogen werden kann um Aufschluss über den Verschleißzustand des Führrohrs zu erhalten.

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  Verschiedene Schweißdrahtrepräsentationen.

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  Erkannte Drähte und abgeleitete Informationen (Länge und Schwerpunkt).

Ergebnis

Es wurde eine Prozessregelung aufgebaut, welche auf Basis der Drahtlängenmessung die Drahtvorschubgeschwindigkeit so anpasst, dass Unregelmäßigkeiten in der Schweißraupenhöhe ausgeglichen werden. Dadurch lassen sich Bauteile mit verbesserten Materialeigenschaften und höherer Geometrietreue drucken. Ebenso ist es mithin möglich komplizierte Geometrien beispielsweise mit Überhängen zu drucken, was ohne Regelung nicht möglich ist. Gänzlich vermeiden lassen sich lokale Materialanhäufungen nicht, denn prozessbedingt wird beispielsweise beim Kreuzen von Schweißraupen die Untere nicht vollständig aufgeschmolzen.

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  Beispiele additiv gefertigter Bauteile mit und ohne Regelung.

Detektion von Spratzern

Spratzer sind ein Indikator für einen destabilisierten Schweißprozess. Sie deuten auf eine ungeeignete Maschinenparametrisierung, einen zu großen Schweißabstand oder nicht gleich bleibende Materialabscheidung hin.