應(yīng)對(duì)金屬 3D 打印中溫度調(diào)節(jié)和質(zhì)量的挑戰(zhàn)
近年來，金屬 3D 打印取得了顯著增長。25 多年來，基于粉末床的激光束熔合 (LPBF) 一直是金屬增材制造最有前途的方法之一。LPBF 工藝由弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所 ILT 于 1996 年開發(fā)并獲得，特別適合制造具有復(fù)雜幾何形狀的組件。這種精確的 3D 打印技術(shù)能夠生產(chǎn)使用減材方法無法制造的零件，不斷解鎖新的工業(yè)應(yīng)用。

在 LPBF 中，起始材料是薄薄地涂在底板上的粉末。然后，激光束選擇性地熔化粉末的區(qū)域以形成所需的組件。凝固后，形成固體材料層。隨后降低底板，并涂上另一層粉末。這個(gè)迭代過程逐層重復(fù)，最終得到一個(gè)三維組件，只需去除多余的粉末即可。

在弗勞恩霍夫 ILT，LPBF 工藝通過各種研究項(xiàng)目不斷改進(jìn)。該研究所運(yùn)營著多個(gè) LPBF 實(shí)驗(yàn)室設(shè)施來推進(jìn)這項(xiàng)工作。LPBF 工藝的質(zhì)量在很大程度上取決于保持正確的工藝溫度。激光束以極快的速度加熱材料，加熱速率高達(dá)每秒 100 萬開爾文。然后，熔化的材料會(huì)迅速冷卻，造成應(yīng)力、收縮、相變和其他可能影響質(zhì)量的物理效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。開裂或塑性變形等問題最終會(huì)導(dǎo)致部件出現(xiàn)缺陷。

為了防止這些故障，底板被加熱以更好地調(diào)節(jié)部件的溫度，最大限度地減少由過大的溫度梯度引起的應(yīng)力。然而，影響部件溫度的參數(shù)在整個(gè)過程中都在變化。每一層到加熱底板的距離都在增加，粉末床導(dǎo)熱性差，輻射會(huì)影響工藝，激光會(huì)引入額外的熱量。因此，在整個(gè)過程中，需要不斷調(diào)整加熱。



3D 打印過程中的紅外溫度測(cè)量和可視化
Optris PI 640i 紅外熱像儀能夠測(cè)量高達(dá) 1500°C 的溫度，可用于優(yōu)化溫度調(diào)節(jié)過程。該紅外熱像儀安裝在工藝室外，為此目的，在工藝室內(nèi)集成了一個(gè)硒化鋅窗口。紅外溫度測(cè)量的一個(gè)挑戰(zhàn)是處理金屬表面的發(fā)射率。例如，金屬粉末和固體的發(fā)射率各不相同，也受表面條件的影響。雖然使用長波長紅外熱像儀測(cè)量金屬表面可能很困難，但在這種情況下，表面粗糙度提供了足夠的發(fā)射率。

另一個(gè)挑戰(zhàn)涉及與強(qiáng)大激光的光學(xué)干擾和相互作用。幸運(yùn)的是，用于此過程的大多數(shù)商用激光器在不同的光譜范圍內(nèi)運(yùn)行，通常使用 1.064 µm 的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)波激光器。該波長與此處使用的長波長紅外熱像儀的波長不同。

在構(gòu)建過程中，紅外熱像儀在熔融浴再次凝固后測(cè)量組件的溫度。系統(tǒng)控制器通過數(shù)字接口觸發(fā)紅外熱像儀，以捕捉熱圖像。這可以在激光關(guān)閉后不久和施加下一層粉末之前發(fā)生。這樣就可以研究各種影響。典型的測(cè)量結(jié)果可以確定重熔后的冷卻行為或粉末床的散熱。這樣，就可以調(diào)整部件的加熱，以避免出現(xiàn)缺陷部件。

通過對(duì)熱成像圖像的簡(jiǎn)單評(píng)估可以優(yōu)化 3D 打印質(zhì)量
PI 640i 紅外熱像儀非常緊湊，可以輕松安裝在窗戶上方。憑借 640 x 480 像素的分辨率，由于注重 MFOV 特性，它還可以解析較小的組件結(jié)構(gòu)。

紅外熱像儀通過 USB 接口連接到安裝了 PIX Connect 分析軟件的 PC，該軟件由 Optris 與紅外熱像儀一起提供。

該軟件分析熱成像圖像并提供全面的記錄和分析選項(xiàng)。Fraunhofer ILT 使用的系統(tǒng)還允許以開放格式存檔和保存圖像，這是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)重要方面是 PIX Connect 軟件中非常容易分析熱成像圖像。

Fraunhofer ILT 已經(jīng)使用 PI 系列好幾年了。以前，在許多情況下，只使用測(cè)溫儀，一次只能測(cè)量一個(gè)點(diǎn)的溫度?？傮w而言，Optris 紅外熱像儀非常適合 ILT 的這一過程。由于其緊湊性，機(jī)械集成起來非常容易，操作也非常簡(jiǎn)單。