Qualität & Post-Processing W3D-QMS-18 ISO/ASTM 52900 Validiert

In-situ Prozessmonitoring im LPBF: Schmelzbadüberwachung & OT

In-situ Prozessüberwachung im metallischen 3D-Druck: Koaxiale Photodioden, Hochgeschwindigkeits-Pyrometrie, Optische Tomographie (OT), akustische Emission & KI-Defekterkennung.

Stand: 2026-03-24 Lesezeit: 10 min Fachredaktion Additive Fertigung
Executive Summary & Technische Kernaussagen Normativer Status: Valide

In-situ Prozessüberwachungssysteme im LPBF verwandeln die "Black Box" des 3D-Drucks in einen transparenten, voll dokumentierten Qualitätsraum. Während konventionelle Bauteile erst nach Baujobende aufwendig per Röntgen-CT geprüft werden müssen, erfassen koaxiale Hochgeschwindigkeits-Photodioden, Pyrometer und Kamerasysteme (Optische Tomographie, OT) das Schmelzbad in Echtzeit mit Frequenzen von bis zu 100 kHz. Unregelmäßigkeiten in Temperatur, Schmelzbademission und Spritzerflug werden Schicht für Schicht digital kartiert, um Poren, Bindefehler und thermische Hotspots noch während des Schmelzvorgangs automatisiert zu identifizieren.

  • Echtzeit-Erfassung von Schmelzbad-Temperatur und -Emission mit bis zu 100.000 Messungen pro Sekunde.
  • Optische Schichttomographie (OT) fotografiert jede belichtete Schicht und detektiert Schmauchfahnen und Poren.
  • Digitale Schicht-für-Schicht-Fehlerkarte reduziert nachgelagerte CT-Prüfkosten bei Serienbauteilen um bis zu 60 %.
  • KI-basierte Algorithmen klassifizieren Defekte automatisch und können den Baujob bei fatalen Fehlern stoppen.
Abtastfrequenz
50 - 100 kHz (koaxial)
Sensortechnologie
Photodioden / Pyrometer / CMOS
Defekt-Ortung
Schichtgenau in X/Y/Z
CT-Kostenersparnis
bis zu 60 %

Technische Kennwerte & Verfahrensvergleich

ISO/ASTM 52900
Systemansatz Koaxiale Schmelzbadüberwachung (MPM) Optische Tomographie (OT / Off-Axis) Beschichter-Kamera (Layer Monitoring)
Sensorik Photodioden / Pyrometer im Strahlengang Hochauflösende sCMOS-Kamera über Baufeld RGB-Kamera mit Streiflicht
Zeitliche Auflösung Extrem hoch (50 - 100 kHz) Pro Schicht (Belichtungsintegral) Vor und nach jedem Schichtauftrag
Fokus der Messung Lokale Schmelzbadstrahlung (Thermal State) Globale thermische Verteilung pro Schicht Gleichmäßigkeit der Pulverschüttung
Detektierte Fehler Keyholing, Bindefehler, Überhitzung Hotspots, fehlende Geometrien, Verzug Riefen im Pulverbett, Recoater-Kollision
Echtzeit-Regelung Closed-Loop Regelung in Entwicklung Post-Layer Bewertung Stoppt Job bei Klingenunfall
01

Koaxiale Strahlengang-Integration: Das Licht des Schmelzbads

Das thermische Glühen des flüssigen Schmelzbads emittiert elektromagnetische Strahlung im nahen Infrarotbereich (700 bis 950 nm). Über dichroitische Spiegel (Strahlteiler) im Scannerkopf wird dieses Licht koaxial – also exakt entlang der optischen Achse des Schweißlasers – auf schnelle Silizium- oder InGaAs-Photodioden geleitet. Der Sensor "sieht" immer exakt das Schmelzbad, egal wohin der Galvospiegel den Strahl auf der Bauplatte lenkt.

02

Signalmuster: Wie Bindefehler und Keyholing aussehen

Fährt der Laser über eine unzureichend aufgeschmolzene Stelle oder eine unebene Vorlage, kühlt das Schmelzbad schlagartig ab: Das Photodiodensignal bricht impulsartig ein (Lack-of-Fusion-Signatur). Überhitzt das Material an spitzen Überhängen oder kollabiert die Dampfkapillare, entstehen extreme Hitzespitzen mit heftigen Signalschwankungen (Keyhole-Signatur). Diese Rohdaten werden mit den Achskoordinaten zu einer volumetrischen 3D-Qualitätskarte verschmolzen.

03

Automatisierte Pulverschicht-Inspektion (CoatMaster)

Vor und nach jeder Belichtung fotografiert eine Weitwinkelkamera das Pulverbett unter streifendem LED-Licht. Bildverarbeitungsalgorithmen erkennen innerhalb einer Sekunde Riefen in der Pulverschicht (verursacht durch beschädigte Rakelklingen), unvollständig beschichtete Bauteilbereiche oder hervorstehende Kanten (Curling). Bei kritischen Fehlern trägt die Maschine automatisch eine Korrekturschicht auf.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Ersetzt In-situ-Monitoring eine zerstörungsfreie CT-Prüfung?
Aktuell noch nicht zu 100 % in der Luftfahrt, aber es reduziert den Prüfaufwand drastisch: Statt alle Bauteile komplett im CT zu durchleuchten, werden nur noch die Bauteile geprüft, deren Monitoring-Daten auffällige Signalspitzen zeigen.
Wie groß sind die anfallenden Datenmengen?
Sehr groß. Ein 48-stündiger Baujob mit koaxialem MPM bei 100 kHz kann 100 bis 500 Gigabyte Rohdaten erzeugen. Moderne Systeme komprimieren die Daten in Echtzeit auf statistische Schichtkennwerte.
Gibt es bereits Closed-Loop-Regelungen (aktives Nachregeln)?
Closed-Loop-Systeme, die bei Überhitzung die Laserleistung in Echtzeit binnen Mikrosekunden drosseln, sind Gegenstand intensivster Forschung und werden von ersten Herstellern für einfache Geometrien angeboten.

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