Monitorando a manufatura aditiva com um microfone óptico

As tecnologias de manufatura aditiva (AM) tiveram uma adoção notável na indústria nos últimos anos. À medida que a digitalização e a fabricação sob demanda mudam a face dos locais de produção para linhas operacionais totalmente automatizadas, métodos confiáveis ​​de monitoramento de processos estão se tornando cada vez mais importantes.

No processamento de metais a laser é um fato bem conhecido que a emissão óptica e acústica durante o processo pode ser analisada em tempo real e correlacionada com a qualidade final da peça. ^1,2,3 Essa abordagem agrega valor significativo, pois a ocorrência de poros, rachaduras ou outras heterogeneidades criadas durante o processo de produção influenciam muito as propriedades mecânicas e aumentam o risco de componentes defeituosos. A reação imediata aos sinais de aviso do processo pode, assim, reduzir o material de sucata e economizar tempo.

Atualmente, sistemas ópticos como pirômetros, câmeras de alta velocidade, câmeras IR e fotodiodos são amplamente usados ​​para monitorar processos AM baseados em laser em contextos acadêmicos e industriais. ⁴ Mesmo que eles forneçam informações importantes sobre a zona de interação laser-metal, eles estão cegos para aspectos relevantes que acontecem após o desligamento do laser, por exemplo. rachaduras por estresse térmico.

Os sistemas de sensores acústicos baseados em estrutura tornaram-se disponíveis comercialmente recentemente, por exemplo, nos processos de Powder Bed Fusion (PBF). ⁵ No entanto, os detectores de som transmitidos pela estrutura são desafiados quando se trata de processos como deposição de metal a laser (LMD) ou fabricação aditiva por arco de fio (WAAM), em que o caminho do sinal vinculado à estrutura muda ou pode até ser interrompido ao longo do tempo de construção. Nesses casos, um sensor acústico acoplado a ar de distância fixa fornece uma solução capaz.

Uma nova técnica de inspeção por ultrassom

Em contraste com os sensores acústicos convencionais de membrana ou piezo, o microfone óptico de banda larga da XARION Laser Acoustics funciona por meio de interferometria. Seu princípio de detecção acinética baseia-se em ondas sonoras que causam uma mudança no índice de refração do ar dentro da cavidade do interferômetro de 2 mm localizada no topo da cabeça do sensor mostrada na Figura 1a. Isso causa pequenas mudanças no comprimento de onda do laser, contido e refletido para frente e para trás dentro da cavidade. O pequeno desvio do comprimento de onda provoca uma variação da interferência e, portanto, da intensidade da luz que retorna da cavidade. A variação de intensidade é então medida por um fotodiodo externo.

Este método de transdução acústica – trabalhando completamente sem elementos móveis – fornece a mais ampla faixa de frequência disponível no mercado de microfones, superando o estado da arte por um fator de 10. Como ruídos de fundo, por exemplo, de máquinas próximas, são normalmente limitados a frequências mais baixas (<100 kHz), o alcance do microfone óptico de 10 Hz a 1 MHz permite uma separação espectral clara entre o valioso sinal do processo e o ruído indesejado. O limite superior desta resposta de frequência é em parte predeterminado pelo próprio meio, pois a absorção de ar amortece a propagação do som muito fortemente. Por exemplo, a atenuação de um sinal acústico de 2 MHz no ar é da ordem de 640 dB/m. ⁶

Nos casos a seguir, várias aplicações são discutidas. Em todas as configurações, a saída elétrica analógica do sensor é alimentada em um sistema de aquisição e análise de dados de alta velocidade, que realiza o cálculo FFT em tempo real e a exibição espectral da emissão do processo no ar.

Deposição de metal a laser (LMD)

Um problema comum em processos de LMD é a formação de trincas devido ao estresse térmico. Essas rachaduras podem ocorrer dentro do tempo de processamento, mas também vários minutos depois. O processo LMD baseado em robô, alimentado por fio ou pó, permite manter a distância de medição constante. A vantagem de um sistema acústico acoplado a ar montado na cabeça do robô é a possibilidade de analisar os sinais da interação laser-material, bem como o comportamento do material após o laser. Um exemplo de uma configuração de medição com uma assinatura acústica correspondente é mostrado na Figura 2.

Como os sinais de trincas tendem a ser de banda larga em frequência, um filtro passa-alta pode ser aplicado para detectar com segurança a ocorrência de trincas no processo e no pós-processo sem perturbação do ruído de produção. Nesta configuração, foi aplicado um filtro de 350 kHz a 1 MHz, que mostrou a correlação mais forte com as contagens de rachaduras de métodos de teste não destrutivos de imagem de raios-X e teste de correntes parasitas, conforme descrito na referência 7.

Fusão em leito de pó (PBF)

Para captar a emissão de ultrassom durante um processo de PBF, o microfone óptico foi posicionado dentro da câmara de construção, a aproximadamente 30 cm da placa de construção, conforme mostrado na Figura 1b. Uma típica assinatura de processo acústico é mostrada na Figura 3, que também demonstra a vantagem da análise de ultra-som de alta frequência, ou seja, a ausência de reverberação, que no regime de baixa frequência pode 'manchar' o sinal e, posteriormente, a resolução temporal superior do processo eventos.

Em contraste com a configuração LMD, o PBF emprega galvanômetros de espelho para direcionar o laser de processo através do leito de pó. Este procedimento causa uma atenuação dependente da distância e da frequência do sinal aéreo, que segue uma relação conhecida e, portanto, pode ser levada em consideração se as coordenadas do laser forem rastreadas simultaneamente. Em muitos casos, também não é necessário manter um nível de terra de sinal constante, por ex. para detecção de anomalias espectrais de curto prazo. Dois exemplos destes são apresentados na Figura 4:A Figura 4a mostra um pico de banda larga no espectrograma originado de uma passagem de laser sobre uma partícula fundida no pó e a Figura 4b mostra um sinal de rachadura na visão do espectrograma 3D (superior) e o respectivo Curva de energia 2D (inferior) integrada em uma banda de frequência de 200-600 kHz.

Fabricação aditiva de arco de arame (WAAM)

Uma configuração semelhante à do LMD pode ser aplicada para processos WAAM (Figura 5). A assinatura do sinal acústico difere fortemente, embora também seja de banda larga até 600 kHz. Os principais fenômenos são o ciclo de formação de gotículas (blocos distintos que aparecem aproximadamente a cada 10 ms), um sinal tonal relacionado à taxa de modulação do arco (aqui:80 kHz) e emissão de processo de banda larga, relacionada à evaporação do metal.

Dois dos parâmetros mais críticos para o processo são a estabilidade do arco e o ciclo de formação. Para monitorar o primeiro, um filtro passa-banda estreito pode ser aplicado à frequência de modulação e seus harmônicos mais altos, e para o último, uma análise FFT pode ser realizada no sinal de tempo filtrado passa-alta, a fim de calcular a taxa de gotículas comparativamente lenta livre de ruído de fundo.

Conclusão

Através da disponibilidade de um microfone de banda larga sem membrana para frequências de ultra-som mais altas, informações anteriormente inacessíveis agora podem ser aproveitadas e utilizadas para monitorar fenômenos de processos acústicos em tempo real. Desenvolvimentos futuros envolvem a aplicação de triangulação para que as origens do som possam ser localizadas para facilitar ainda mais os operadores, engenheiros de processo e fabricantes de máquinas para detectar possíveis defeitos. Além disso, é direcionada a inclusão de métodos de IA integrados que se prestam a fluxos de dados acústicos e facilitam o avanço da tecnologia para aplicativos de monitoramento industrial mais complexos.

Agradecimento

Os autores agradecem o apoio do AIMEN Technology Center (Espanha) e Damon Northeast (Renishaw plc).

Referências

1. D. F. Farson e K. R. Kim:Geração de emissões ópticas e acústicas em plumas de solda a laser , Journal of Applied Physics 85, 1329 (1999);
2. M. Bastuck et al.:Überwachung und Qualitätssicherung des Laserschweißprozesses ultrahochfester Karosseriestähle durch integrierte ZfPVerfahren , DGZfP-Jahrestagung – Mi.2.A.4 (2013);
3. J Shao e Y Yan:Revisão de técnicas para monitoramento e inspeção on-line de soldagem a laser , Journal of Physics:Conference Series 15, 101–107 (2005)
4. S. Everton et al.:Revisão do monitoramento de processos in-situ e metrologia in-situ para fabricação de aditivos metálicos , Materiais e Design 95 (2016) 0431-445
5. Anas Essop, 3D Printing Industry, 10 de dezembro de 2019, acessado em 26 de junho de 2020.
6. M. Baixo, Absorção Atmosférica de Som, JASA (1990)
7. Camilo Prieto et al.:Monitoramento do processo in situ por microfone óptico para detecção de trincas em aplicações de Deposição de Metal a Laser, dados de medição do AIMEN Technology Center (Espanha) , LANE Conference, entrada de papel industrial (2020)

Este artigo foi escrito por Martin Ursprung, Engenheiro de Aplicação; Thomas Heine, chefe de P&D; Balthasar Fischer, CEO; Wolfgang Rohringer, Engenheiro de Desenvolvimento; e Ryan Sommerhuber, Engenheiro de Aplicação, XARION Laser Acoustics GmbH (Viena, Áustria). Para mais informações, entre em contato com o Sr. Sommerhuber em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo. ou visite aqui .