Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

Das schichtweise Aufbauen großer Metallteile ist ein Prozess, der die Art und Weise, wie Ingenieure über die Fertigung nachdenken, verändert hat. Bekannt als arc-basierte gerichtete Energiedeposition (Directed Energy Deposition), nutzt diese Technik einen Roboterarm, um einen Draht mit einem Schweißbrenner zu schmelzen und ihn Schicht für Schicht abzuscheiden, um eine solide Struktur zu bilden. Es ist eine leistungsstarke Methode, um mittelgroße bis große Komponenten schnell und kostengünstig herzustellen, aber sie birgt ein verborgenes Risiko: die Hitze. Wenn jede neue Schicht hinzugefügt wird, behält das darunter liegende Metall die Wärme des vorherigen Durchgangs bei. Wenn diese Hitze nicht sorgfältig kontrolliert wird, summiert sie sich an, was die Art und Weise verändert, wie das Metall abkühlt und erstarrt. Diese thermische Historie bestimmt die interne Struktur des Materials, was wiederum darüber entscheidet, ob das fertige Teil stark genug ist, um eine Brücke zu halten, oder zu schwach ist, um unter Belastung standzuhalten. Um dies zu kontrollieren, müssen Hersteller die exakte Temperatur des Metalls während der Abkühlung kennen. Häufig verwenden sie Infrarotkameras, die Hitze als Licht wahrnehmen, um den Prozess in Echtzeit zu beobachten. Diese Kameras verlassen sich jedoch auf eine Einstellung namens Emissivität – ein Maß dafür, wie gut eine Oberfläche Wärme abstrahlt –, die jedoch bei heißem, rauem Metall nur schwer präzise zu bestimmen ist. Wenn diese Einstellung falsch geschätzt wird, kann die Temperaturmessung massiv abweichen, was zu Fehlentscheidungen beim Bau des Teils führt.

Ein Forschungsteam der Universität Coimbra und des Polytechnischen Instituts von Coimbra setzte sich zum Ziel, dieses Problem des Ratens zu lösen. Sie wollten wissen, wie sehr eine falsche Annahme über die Emissivität die Darstellung der thermischen Historie des Metalls verzerren würde und wie diese Verzerrung letztlich das Verständnis der Festigkeit des Teils beeinflusst. Um dies herauszufinden, bauten sie drei identische Wände aus Kohlenstoffstahl mithilfe eines Roboterschweißsystems. Sie wendeten dann drei verschiedene Regeln für die Wartezeit zwischen dem Hinzufügen der Schichten an. Zwei der Wände wurden mit einer strengen Temperaturgrenze gebaut: Der Roboter hielt inne und wartete, bis das Metall auf entweder 150 Grad Celsius oder 250 Grad Celsius abgekühlt war, bevor die nächste Schicht hinzugefügt wurde. Die dritte Wand wurde mit einem strengen Zeitlimit gebaut: Der Roboter wartete genau 30 Sekunden zwischen den Schichten, unabhängig davon, wie heiß das Metall tatsächlich war.

Die Forscher beobachteten das Wachstum dieser Wände mit einer Infrarotkamera, betetteten jedoch auch winzige Temperatursensoren direkt in das Metall ein, um die wahre „Ground Truth“ zu erhalten. Durch den Vergleich der Ansicht der Kamera mit den Messwerten der Sensoren entdeckten sie, dass die Fähigkeit des Metalls, Wärme abzustrahlen, keine feste Zahl war. Stattdessen änderte sie sich, wenn das Metall heißer oder kühler wurde. Sie fanden heraus, dass die Verwendung einer einzigen, konstanten Schätzung für diese Einstellung zu massiven Fehlern bei der Temperaturmessung führen konnte, insbesondere wenn das Metall sehr heiß war. Durch die Erstellung eines Modells, das die Einstellung basierend auf der aktuellen Temperatur anpasste, reduzierten sie den Fehler in ihren Messungen auf weniger als vier Prozent. Diese Kalibrierung ermöglichte es ihnen, die wahre thermische Geschichte jeder Wand zu sehen.

Die Ergebnisse zeigten einen drastischen Unterschied zwischen den Strategien. Die Wände, die mit Temperaturbeschränkungen gebaut wurden, kühlten in einem stetigen, vorhersehbaren Rhythmus ab. Das Metall hatte genug Zeit, seine Hitze abzugeben, was zu einer feinen, gleichmäßigen internen Struktur führte. Diese Wände wiesen eine spezifische Abkühlzeit auf – gemessen als die Dauer, die es dauerte, von 800 auf 500 Grad zu sinken – von etwa 22 bis 27 Sekunden. Im Gegensatz dazu litt die Wand, die mit dem 30-Sekunden-Timer gebaut wurde, unter schwerer Hitzeakkumulation. Da der Roboter nicht darauf wartete, dass das Metall abkühlte, stieg die Temperatur kontinuierlich an und stabilisierte sich schließlich bei glühenden 730 Grad Celsius. Das Metall hatte nie die Chance, richtig abzukühlen, und die Forscher konnten die Standard-Abkühlzeit für die oberen Schichten nicht einmal messen, da das Metall nie unter 500 Grad fiel.

Diese Differenz in der thermischen Historie hatte eine direkte und messbare Auswirkung auf die Festigkeit des Metalls. Die zwei Wände, die mit Temperaturkontrolle gebaut wurden, erwiesen sich als bemerkenswert ähnlich und stark, mit einer maximalen Zugfestigkeit von etwa 515 Megapascal. Ihre internen Körner waren klein und dicht gepackt. Die Wand, die mit dem 30-Sekunden-Timer gebaut wurde, war jedoch signifikant schwächer, mit einer maximalen Festigkeit von nur 470 Megapascal. Ihre interne Struktur war grobkörnig und ungleichmäßig geworden, mit großen Körnern, die entstanden, weil das Metall zu lange heiß blieb. Obwohl diese schwächere Wand etwas dehnbarer war, mangelte es ihr an der robusten Festigkeit der anderen. Die Studie kam zu dem Schluss, dass der 30-Sekunden-Timer eine schlechte Strategie für dieses Material war, da er zu einem Qualitätsverlust führte, den eine einfache zeitbasierte Regel nicht verhindern konnte.

Vielleicht war die kritischste Erkenntnis die Gefahr schlechter Daten. Die Forscher zeigten, dass ein Ingenieur, der eine standardmäßige, unkalibrierte Schätzung für die Wärmeabstrahl-Einstellung verwendet hätte, eine völlig andere thermische Historie für die schwache Wand berechnet hätte. Er hätte vielleicht gedacht, das Metall würde mit einer normalen Rate abkühlen, während es in Wirklichkeit auf einer gefährlichen, hohen Temperatur verharrte. Dieser Fehler hätte dazu geführt, dass er geglaubet hätte, die Eigenschaften des Metalls seien normal, was potenziell zur Freigabe eines Bauteils geführt hätte, das strukturell instabil ist. Die Arbeit verdeutlicht, dass für die Zuverlässigkeit dieser Art der Fertigung die Infrarotkamera sorgfältig auf die sich ändernde Natur des heißen Metalls abgestimmt werden muss. Ohne diese präzise Kalibrierung bleibt die Verbindung zwischen der Hitze, die die Maschine sieht, und der Festigkeit, die das Teil besitzt, unterbrochen, wodurch Ingenieure über die Sicherheit der von ihnen gebauten Strukturen im Unklaren gelassen werden.