卡內(nèi)基梅隆大學(xué)：金屬增材制造的高分辨率熔池?zé)岢上?/a>

來(lái)源： 增材制造技術(shù)前沿

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)介紹了一種使用單個(gè)商用彩色相機(jī)對(duì)熔池溫度進(jìn)行成像的實(shí)驗(yàn)方法，并將結(jié)果與多物理場(chǎng)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 模型進(jìn)行比較。這種方法利用了雙色熱成像原理，它不需要熔池發(fā)射率、羽流透射率和相機(jī)視角系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。研究人員使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的黑體光源和鎢絲燈在1600K和2800K的溫度之間驗(yàn)證了彩色相機(jī)準(zhǔn)確測(cè)量溫度的能力。

研究人員指出，盡管LPBF工藝被認(rèn)為是一種成熟的增材制造技術(shù)，但它仍然依賴于工藝參數(shù)和組件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)選擇。盡管金屬增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，但早期研究人員發(fā)現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題仍然存在，包括熱管理問(wèn)題、孔隙率和裂紋，這些問(wèn)題可能導(dǎo)致零件無(wú)法使用。這些問(wèn)題推動(dòng)了現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程監(jiān)測(cè)和穩(wěn)健熱建模方面的重要研究。

熔池溫度測(cè)量可用于識(shí)別缺陷特征，例如匙孔，凝固區(qū)域的冷卻速率可用于預(yù)測(cè)最終的微觀結(jié)構(gòu)。熔池?zé)崃黧w模型的進(jìn)步進(jìn)一步增加了對(duì)熔池內(nèi)部和周圍精確溫度測(cè)量以進(jìn)行模型驗(yàn)證的需求。然而，激光穿過(guò)粉末床的速度非�？欤�400-3000mm/s）、且熔池尺寸小（0.1-1mm）并具有高溫梯度（5 K/至 20 K/）。

△ 對(duì)316L不銹鋼的構(gòu)建板上有粉末和沒(méi)有粉末的五個(gè)連續(xù)熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行比較

高速可見(jiàn)光譜相機(jī)、熱紅外 (IR) 相機(jī)和光電探測(cè)器均已用于測(cè)量熔池溫度，以深入了解該過(guò)程的熱力學(xué)。盡管使用熱像儀能夠進(jìn)行溫度測(cè)量，但這些近似值需要假設(shè)單一發(fā)射率，可能會(huì)導(dǎo)致較大的溫度誤差。其他熱監(jiān)測(cè)工作已經(jīng)以寬視場(chǎng)捕獲了整個(gè)構(gòu)建過(guò)程，但也需要精確的材料相關(guān)發(fā)射率校準(zhǔn)。典型的LPBF 掃描速度約為1000mm/s，激光光斑尺寸約100μm，大多數(shù)熱像儀無(wú)法提供捕獲熔池液位溫度瞬變所需的足夠幀速率、曝光時(shí)間和分辨率。使用照明源和高速相機(jī)來(lái)測(cè)量熔池尺寸，但沒(méi)有提供溫度場(chǎng)。使用光電探測(cè)器可以感測(cè)熔池?zé)岚l(fā)射的平均強(qiáng)度，然后將其與零件中的缺陷相關(guān)聯(lián)。

用于LPBF熔池溫度測(cè)量的雙色高溫測(cè)定法是另一種方法，其主要優(yōu)點(diǎn)是不需要熔池的發(fā)射率。使用雙色紅外高溫計(jì)和有限元分析模型可以估計(jì)兩個(gè)通道上發(fā)射率的光譜變化。高溫計(jì)的光斑尺寸為0.95mm，從而獲得空間平均熔池溫度測(cè)量結(jié)果。雙色熱成像將雙色圖像轉(zhuǎn)換為熱圖，并已被用來(lái)捕獲火焰溫度與熔池類似，也表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)發(fā)射率。

卡內(nèi)基梅隴大學(xué)的研究人員在此詳細(xì)介紹了基于商用高速彩色相機(jī)的空間和時(shí)間分辨溫度測(cè)量工具的開發(fā)和驗(yàn)證。通過(guò)在LPBF中使用彩色相機(jī)進(jìn)行雙色熱成像，減輕了激光光路中的未對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題，同時(shí)保持了高空間和時(shí)間分辨率。該方法減少了與對(duì)齊多個(gè)相機(jī)相關(guān)的挑戰(zhàn)，并且通過(guò)使用具有內(nèi)置彩色像素濾光器陣列的相機(jī)傳感器消除了廣泛的空間校正的需要。此外，該設(shè)置的便攜性允許系統(tǒng)在機(jī)器之間移動(dòng)并使用黑體進(jìn)行驗(yàn)證空腔散熱器。

△ 為了演示這項(xiàng)技術(shù)，在商用激光粉末床熔融3D打印機(jī)上，使用一臺(tái)離軸高速彩色相機(jī)，以每秒22500幀的速度拍攝構(gòu)建板上2.8×2.8mm的區(qū)域。

316L不銹鋼在不同加工條件下的熔池溫度場(chǎng)顯示出3300K和3700K之間的峰值，這取決于激光功率和粉末存在時(shí)增加的可變性。

△  316L 不銹鋼的熔池捕捉

In718和Ti6Al4V的測(cè)量顯示出可比較的溫度，然而，由于鋁的蒸發(fā)增加了羽流阻礙，特別是在Ti6Al6V中。

△ 316L 不銹鋼、In718 和 Ti-6Al-4V 的熔池溫度場(chǎng)比較

△ 功率和速度組合的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果

將FLOW-3D®CFD模型擬合到316L不銹鋼熔池橫截面幾何形狀的原位測(cè)量中，可以確定菲涅耳系數(shù)和調(diào)節(jié)系數(shù)的多種組合，從而實(shí)現(xiàn)幾何一致性。其中只有兩種組合與熱圖像一致，激發(fā)了對(duì)熱成像的需求，可將其作為推進(jìn)復(fù)雜物理模型驗(yàn)證的一種手段。

總的來(lái)說(shuō)，這種測(cè)量方法克服了傳統(tǒng)紅外測(cè)量技術(shù)的局限性，傳統(tǒng)紅外測(cè)量技術(shù)通常存在表面特性和可見(jiàn)度因素方面的問(wèn)題。據(jù)科學(xué)家稱，該方法的高幀速率和分辨率為復(fù)雜過(guò)程提供了新的視角。除了精確的溫度測(cè)量之外，該方法還提供了用于模擬3D打印過(guò)程的新參數(shù)。根據(jù)熔池中峰值溫度的分布，可以研究材料蒸發(fā)和最終部件的微觀結(jié)構(gòu)。該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它獨(dú)立于金屬蒸氣的發(fā)射率和透射率，這些材料參數(shù)不再需要花費(fèi)巨大的代價(jià)來(lái)確定。

研究人員已經(jīng)能夠利用相機(jī)技術(shù)記錄溫度曲線取得有希望的結(jié)果。他們看到了將其方法轉(zhuǎn)移到其他3D打印工藝的巨大潛力，從而提高航空或機(jī)械工程中增材制造的質(zhì)量和效率。