3D 金属打印中的红外测量技术

 应对金属 3D 打印中温度调节和质量的挑战
近年来，金属 3D 打印取得了显著增长。25 多年来，基于粉末床的激光束熔合 (LPBF) 一直是金属增材制造最有前途的方法之一。LPBF 工艺由弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 于 1996 年开发并获得，特别适合制造具有复杂几何形状的组件。这种精确的 3D 打印技术能够生产使用减材方法无法制造的零件，不断解锁新的工业应用。

在 LPBF 中，起始材料是薄薄地涂在底板上的粉末。然后，激光束选择性地熔化粉末的区域以形成所需的组件。凝固后，形成固体材料层。随后降低底板，并涂上另一层粉末。这个迭代过程逐层重复，最终得到一个三维组件，只需去除多余的粉末即可。

在弗劳恩霍夫 ILT，LPBF 工艺通过各种研究项目不断改进。该研究所运营着多个 LPBF 实验室设施来推进这项工作。LPBF 工艺的质量在很大程度上取决于保持正确的工艺温度。激光束以极快的速度加热材料，加热速率高达每秒 100 万开尔文。然后，熔化的材料会迅速冷却，造成应力、收缩、相变和其他可能影响质量的物理效应的风险。开裂或塑性变形等问题最终会导致部件出现缺陷。

为了防止这些故障，底板被加热以更好地调节部件的温度，最大限度地减少由过大的温度梯度引起的应力。然而，影响部件温度的参数在整个过程中都在变化。每一层到加热底板的距离都在增加，粉末床导热性差，辐射会影响工艺，激光会引入额外的热量。因此，在整个过程中，需要不断调整加热。



3D 打印过程中的红外温度测量和可视化
Optris PI 640i 红外热像仪能够测量高达 1500°C 的温度，可用于优化温度调节过程。该红外热像仪安装在工艺室外，为此目的，在工艺室内集成了一个硒化锌窗口。红外温度测量的一个挑战是处理金属表面的发射率。例如，金属粉末和固体的发射率各不相同，也受表面条件的影响。虽然使用长波长红外热像仪测量金属表面可能很困难，但在这种情况下，表面粗糙度提供了足够的发射率。

另一个挑战涉及与强大激光的光学干扰和相互作用。幸运的是，用于此过程的大多数商用激光器在不同的光谱范围内运行，通常使用 1.064 µm 的标准连续波激光器。该波长与此处使用的长波长红外热像仪的波长不同。

在构建过程中，红外热像仪在熔融浴再次凝固后测量组件的温度。系统控制器通过数字接口触发红外热像仪，以捕捉热图像。这可以在激光关闭后不久和施加下一层粉末之前发生。这样就可以研究各种影响。典型的测量结果可以确定重熔后的冷却行为或粉末床的散热。这样，就可以调整部件的加热，以避免出现缺陷部件。

通过对热成像图像的简单评估可以优化 3D 打印质量
PI 640i 红外热像仪非常紧凑，可以轻松安装在窗户上方。凭借 640 x 480 像素的分辨率，由于注重 MFOV 特性，它还可以解析较小的组件结构。

红外热像仪通过 USB 接口连接到安装了 PIX Connect 分析软件的 PC，该软件由 Optris 与红外热像仪一起提供。

该软件分析热成像图像并提供全面的记录和分析选项。Fraunhofer ILT 使用的系统还允许以开放格式存档和保存图像，这是一个重要的优势。另一个重要方面是 PIX Connect 软件中非常容易分析热成像图像。

Fraunhofer ILT 已经使用 PI 系列好几年了。以前，在许多情况下，只使用测温仪，一次只能测量一个点的温度。总体而言，Optris 红外热像仪非常适合 ILT 的这一过程。由于其紧凑性，机械集成起来非常容易，操作也非常简单。