檢測工藝異常以減少缺陷并確保結(jié)構(gòu)完整性
選擇性激光熔化 (SLM) 是一種廣為人知的金屬增材制造技術(shù)，利用金屬粉末床和高功率激光來生產(chǎn)金屬部件。雖然經(jīng)常被稱為其他名稱，例如直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)，但根據(jù) ASTM，標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語是粉末床熔合 (PBF)。PBF 是快速成型、3D 打印和增材制造領(lǐng)域的一種技術(shù)，其中使用高密度激光精確熔化和熔合金屬粉末層，從而制造出復(fù)雜且高質(zhì)量的金屬部件。

設(shè)計(jì)的 3D 產(chǎn)品是通過逐層選擇性熔化和重新固化金屬粉末來打印的。小幅度降低構(gòu)建平臺(tái)，然后沉積一層新的粉末。

粉末床通常經(jīng)過預(yù)熱，以減少達(dá)到粉末熔化溫度所需的能量。均勻的熱量分布對(duì)于生產(chǎn)具有均勻金屬結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量物體至關(guān)重要。

選擇性激光熔化中溫度監(jiān)測的動(dòng)機(jī)源于對(duì)管理固有復(fù)雜熱動(dòng)力學(xué)的迫切需求在此過程中。SLM 依靠高能激光選擇性地熔化金屬粉末層，從而快速熔化和凝固，產(chǎn)生陡峭的溫度梯度。這些梯度會(huì)引起顯著的熱應(yīng)力，導(dǎo)致開裂、翹曲和不良微觀結(jié)構(gòu)等缺陷，損害最終部件的質(zhì)量和機(jī)械性能。

有效的溫度管理對(duì)于緩解這些挑戰(zhàn)至關(guān)重要。SLM 典型的高冷卻速率會(huì)導(dǎo)致非平衡凝固，從而導(dǎo)致可能削弱材料的相組成。此外，激光與材料的相互作用會(huì)在熔池內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的對(duì)流，這會(huì)導(dǎo)致材料分布不均勻并形成孔隙或空隙。這些缺陷會(huì)降低部件的結(jié)構(gòu)完整性，使其不適合要求苛刻的應(yīng)用。

溫度監(jiān)測對(duì)于檢測散熱不足等異常情況至關(guān)重要，這會(huì)導(dǎo)致孔隙、分層或凝固不當(dāng)。通過密切觀察整個(gè)過程中的溫度分布及其變化，可以保持工藝穩(wěn)定性、參數(shù)優(yōu)化以及生產(chǎn)零件的機(jī)械性能和尺寸精度的提高。



克服選擇性激光熔化中的熱分布挑戰(zhàn)并監(jiān)測粉末床溫度
SLM 工藝在確保粉末床的適當(dāng)預(yù)熱和均勻熱量分布方面面臨重大挑戰(zhàn)。熱量分布不均勻會(huì)導(dǎo)致 3D 打印部件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、裂縫和孔隙。但是，通過使用 Optris 紅外攝像機(jī)監(jiān)測熱量分布，可以盡早發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)，從而及時(shí)采取糾正措施，防止錯(cuò)誤并確保最佳部件質(zhì)量。

Optris 紅外熱像儀（例如 PI 640i）可以有效測量床溫，從而提供有關(guān)機(jī)器狀況的重要見解。Optris 測溫儀還可用于監(jiān)測粉末床溫度，以獲得更具成本效益的解決方案。此外，可以使用短波長熱像儀（例如 PI 08M）精確監(jiān)測激光熔化的各個(gè)區(qū)域。

鑒于激光的高能量密度及其潛在的反射，用于非接觸式溫度測量的紅外傳感器必須足夠堅(jiān)固以承受這些條件。 SLM 工藝通常使用 1064 nm 的固態(tài)激光器或 10.6 μm 的 CO? 激光器，即使是最小程度的激光照射（包括反射）也會(huì)對(duì)紅外熱像儀造成嚴(yán)重?fù)p壞。為防止這種情況，建議采用兩種策略：使用在遠(yuǎn)離激光波長的波長范圍內(nèi)工作的熱像儀或使用專用濾光片保護(hù)熱像儀。Optris 為 PI 1M 提供陷波濾光片，為 LT 熱像儀提供長通濾光片，以有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

用于選擇性激光熔化的集成激光阻擋濾光片的紅外溫度傳感器
關(guān)鍵應(yīng)用包括檢測粉末床表面的溫度分布和精確測量熔化溫度，這兩者都可以在激光運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn) – 這種方法稱為原位測量。此外，紅外熱成像對(duì)于分析燒結(jié)區(qū)域的冷卻過程很有價(jià)值。加熱不足或不均勻會(huì)導(dǎo)致組件性能不佳，超出規(guī)定的公差，這個(gè)問題可以通過熱成像過程控制有效緩解。此外，紅外熱像儀可以監(jiān)控激光燒結(jié)機(jī)內(nèi)輻射加熱器的性能和均勻性，確保最佳運(yùn)行和一致的結(jié)果。

發(fā)射率對(duì)于精確的溫度測量至關(guān)重要，因?yàn)樗鼤?huì)隨多種因素而變化，必須針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行仔細(xì)校準(zhǔn)。從理論上講，發(fā)射率受材料的特性、表面質(zhì)量、溫度、波長、測量角度和測量期間使用的配置的影響。非金屬表面通常在不同波長上保持一致的發(fā)射率，但發(fā)射的輻射量小于理想的黑體輻射器，因此將其歸類為灰體。相反，金屬表面的輻射率隨溫度和波長而變化，被稱為選擇性輻射器。

為了精確測量金屬的溫度，通常建議在短波范圍內(nèi)操作。金屬表面發(fā)射的輻射最多，在高溫和較短波長下具有較高的輻射率。在這些較短的波長下，金屬的輻射率更接近金屬氧化物的輻射率，從而降低了由于輻射率波動(dòng)而導(dǎo)致誤差的可能性。

但是，這種方法必須考慮激光與材料的相互作用，因?yàn)楦鶕?jù)基爾霍夫熱輻射定律，材料的吸收率等于其輻射率。盡管激光器的帶寬比紅外熱像儀窄得多，但使用陷波濾波器對(duì)于阻擋高功率激光和防止可能損壞紅外傳感器的串?dāng)_至關(guān)重要。

Optris 提供專為激光應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用紅外熱像儀和測溫儀。紅外熱像儀和測溫儀可以無縫集成到激光燒結(jié)機(jī)中，使用戶能夠?qū)崟r(shí)執(zhí)行關(guān)鍵測量。