應對金屬 3D 打印中溫度調節和質量的挑戰
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研究所 ILT 于 1996 年開發并獲得，特別適合制造具有復雜幾何形狀的組件。這種精確的 3D 打印技術能夠生產使用減材方法無法制造的零件，不斷解鎖新的工業應用。

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。這個迭代過程逐層重復，最終得到一個三維組件，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目不斷改進。該研究所運營著多個 LPBF 實驗室設施來推進這項工作。LPBF 工藝的質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，加熱速率高達每秒 100 萬開爾文。然后，熔化的材料會迅速冷卻，造成應力、收縮、相變和其他可能影響質量的物理效應的風險。開裂或塑性變形等問題最終會導致部件出現缺陷。

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



3D 打印過程中的紅外溫度測量和可視化
Optris PI 640i 紅外熱像儀能夠測量高達 1500°C 的溫度，可用于優化溫度調節過程。該紅外熱像儀安裝在工藝室外，為此目的，在工藝室內集成了一個硒化鋅窗口。紅外溫度測量的一個挑戰是處理金屬表面的發射率。例如，金屬粉末和固體的發射率各不相同，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射率。

另一個挑戰涉及與強大激光的光學干擾和相互作用。幸運的是，用于此過程的大多數商用激光器在不同的光譜范圍內運行，通常使用 1.064 µm 的標準連續波激光器。該波長與此處使用的長波長紅外熱像儀的波長不同。

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

通過對熱成像圖像的簡單評估可以優化 3D 打印質量
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構。

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。Fraunhofer ILT 使用的系統還允許以開放格式存檔和保存圖像，這是一個重要的優勢。另一個重要方面是 PIX Connect 軟件中非常容易分析熱成像圖像。

Fraunhofer ILT 已經使用 PI 系列好幾年了。以前，在許多情況下，只使用測溫儀，一次只能測量一個點的溫度。總體而言，Optris 紅外熱像儀非常適合 ILT 的這一過程。由于其緊湊性，機械集成起來非常容易，操作也非常簡單。