溫度控制決定選擇性激光熔化的未來

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

設計的 3D 產品是通過逐層選擇性熔化和重新固化金屬粉末來打印的。小幅度降低構建平臺，然后沉積一層新的粉末。

粉末床通常經過預熱，以減少達到粉末熔化溫度所需的能量。均勻的熱量分布對于生產具有均勻金屬結構的高質量物體至關重要。

選擇性激光熔化中溫度監(jiān)測的動機源于對管理固有復雜熱動力學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，產生陡峭的溫度梯度。這些梯度會引起顯著的熱應力，導致開裂、翹曲和不良微觀結構等缺陷，損害最終部件的質量和機械性能。

有效的溫度管理對于緩解這些挑戰(zhàn)至關重要。SLM 典型的高冷卻速率會導致非平衡凝固，從而導致可能削弱材料的相組成。此外，激光與材料的相互作用會在熔池內產生復雜的對流，這會導致材料分布不均勻并形成孔隙或空隙。這些缺陷會降低部件的結構完整性，使其不適合要求苛刻的應用。

溫度監(jiān)測對于檢測散熱不足等異常情況至關重要，這會導致孔隙、分層或凝固不當。通過密切觀察整個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)化以及生產零件的機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預熱和均勻熱量分布方面面臨重大挑戰(zhàn)。熱量分布不均勻會導致 3D 打印部件出現(xiàn)結構變形、裂縫和孔隙。但是，通過使用 Optris 紅外攝像機監(jiān)測熱量分布，可以盡早發(fā)現(xiàn)熱點，從而及時采取糾正措施，防止錯誤并確保最佳部件質量。

Optris 紅外熱像儀（例如 PI 640i）可以有效測量床溫，從而提供有關機器狀況的重要見解。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）也會對紅外熱像儀造成嚴重損壞。為防止這種情況，建議采用兩種策略：使用在遠離激光波長的波長范圍內工作的熱像儀或使用專用濾光片保護熱像儀。Optris 為 PI 1M 提供陷波濾光片，為 LT 熱像儀提供長通濾光片，以有效應對這些挑戰(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
關鍵應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行時實現(xiàn) – 這種方法稱為原位測量。此外，紅外熱成像對于分析燒結區(qū)域的冷卻過程很有價值。加熱不足或不均勻會導致組件性能不佳，超出規(guī)定的公差，這個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)控激光燒結機內輻射加熱器的性能和均勻性，確保最佳運行和一致的結果。

發(fā)射率對于精確的溫度測量至關重要，因為它會隨多種因素而變化，必須針對特定應用進行仔細校準。從理論上講，發(fā)射率受材料的特性、表面質量、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而導致誤差的可能性。

但是，這種方法必須考慮激光與材料的相互作用，因為根據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于阻擋高功率激光和防止可能損壞紅外傳感器的串擾至關重要。

Optris 提供專為激光應用而設計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機中，使用戶能夠實時執(zhí)行關鍵測量。