Integration of Optical 3D Measurement Technology into a Cyber-Physical Production System for Wire Arc Additive Manufacturing

Diese Arbeit untersucht den Einfluss dreidimensionaler (3D) geometrischer optischer Messsysteme (GOM®) in der Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) als In-situ-Überwachung zur frühzeitigen Identifikation von Defekten im Fertigungsprozess. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf der Adaption von GOM® für die Wire Arc Additive Manufacturing unter besonderer Berücksichtigung metallischer Oberflächen und hoher Temperaturen. Hierfür müssen Methoden entwickelt werden, die in einer automatisierten Umgebung anwendbar sind, um GOM® zuverlässig für die additive Fertigung von Ti-6Al-4V im Kontext eines cyber-physischen Produktionssystems am Lehrstuhl für Metallumformung einzusetzen. Derzeit wird GOM® hauptsächlich in der Qualitätskontrolle und im Reverse Engineering eingesetzt, wobei häufig aufwendige Vorbereitungsprozesse wie das Beschichten oder anderweitige Vorbereiten der Oberfläche erforderlich sind, um genaue Scanergebnisse zu erzielen. Im Rahmen einer Parameterstudie wurde mithilfe statistischer Versuchsplanung (Design of Experiments) die Qualität der resultierenden Scans hinsichtlich Scanvollständigkeit und geometrischer Genauigkeit untersucht, um die kritischsten Einflussfaktoren auf GOM® zu identifizieren und Lösungsansätze zur Minimierung ihres Einflusses zu entwickeln. Die primär untersuchten Parameter waren die Temperatur des gescannten Prüfkörpers sowie dessen Oberflächeneigenschaften, die in drei unterschiedlichen Versuchsaufbauten bewertet wurden. Jeder Versuchsablauf konzentriert sich auf spezifische Aspekte, um die Anzahl der Einzelparameter zu reduzieren und den experimentellen Aufwand zur Gewinnung aussagekräftiger Ergebnisse zu minimieren. Die abschließende Phase umfasst die Implementierung in ein bestehendes cyber-physisches Produktionssystem für Wire Arc Additive Manufacturing an der Montanuniversität Leoben. Der Versuchsaufbau besteht aus einem Schweißroboter mit zugehöriger Steuerung. Ein GOM®-System wurde unter Verwendung eines gemeinsamen Koordinatensystems mit dem Roboterarbeitsraum in das cyber-physische Produktionssystem integriert, wodurch eine direkte Interaktion mit dem Wire Arc Additive Manufacturing-Prozess ermöglicht wird. Dieses Setup erlaubt eine synchronisierte Prozessregelung, einen kontinuierlichen Datenfluss sowie eine schichtweise Datenauswertung zwischen den einzelnen Auftragschritten. Die experimentellen Daten aus der Parameterstudie werden mittels statistischer und numerischer Methoden ausgewertet, um Messabweichungen zu quantifizieren, Parametersensitivitäten zu identifizieren und die Zuverlässigkeit der Kalibrier- und Scanprozesse zu verifizieren. Daraus resultiert ein robuster und reproduzierbarer Workflow, der eine nahtlose Integration von GOM® in die Wire Arc Additive Manufacturing ermöglicht.