卡内基梅隆大学：金属增材制造的高分辨率熔池热成像

来源： 增材制造技术前沿

卡内基梅隆大学介绍了一种使用单个商用彩色相机对熔池温度进行成像的实验方法，并将结果与多物理场计算流体动力学(CFD) 模型进行比较。这种方法利用了双色热成像原理，它不需要熔池发射率、羽流透射率和相机视角系数的经验知识。研究人员使用美国国家标准与技术研究所（NIST）的黑体光源和钨丝灯在1600K和2800K的温度之间验证了彩色相机准确测量温度的能力。

研究人员指出，尽管LPBF工艺被认为是一种成熟的增材制造技术，但它仍然依赖于工艺参数和组件设计的经验选择。尽管金属增材制造技术发展迅速，但早期研究人员发现的几个问题仍然存在，包括热管理问题、孔隙率和裂纹，这些问题可能导致零件无法使用。这些问题推动了现场过程监测和稳健热建模方面的重要研究。

熔池温度测量可用于识别缺陷特征，例如匙孔，凝固区域的冷却速率可用于预测最终的微观结构。熔池热流体模型的进步进一步增加了对熔池内部和周围精确温度测量以进行模型验证的需求。然而，激光穿过粉末床的速度非常快（400-3000mm/s）、且熔池尺寸小（0.1-1mm）并具有高温梯度（5 K/至 20 K/）。

△ 对316L不锈钢的构建板上有粉末和没有粉末的五个连续熔池温度场进行比较

高速可见光谱相机、热红外 (IR) 相机和光电探测器均已用于测量熔池温度，以深入了解该过程的热力学。尽管使用热像仪能够进行温度测量，但这些近似值需要假设单一发射率，可能会导致较大的温度误差。其他热监测工作已经以宽视场捕获了整个构建过程，但也需要精确的材料相关发射率校准。典型的LPBF 扫描速度约为1000mm/s，激光光斑尺寸约100μm，大多数热像仪无法提供捕获熔池液位温度瞬变所需的足够帧速率、曝光时间和分辨率。使用照明源和高速相机来测量熔池尺寸，但没有提供温度场。使用光电探测器可以感测熔池热发射的平均强度，然后将其与零件中的缺陷相关联。

用于LPBF熔池温度测量的双色高温测定法是另一种方法，其主要优点是不需要熔池的发射率。使用双色红外高温计和有限元分析模型可以估计两个通道上发射率的光谱变化。高温计的光斑尺寸为0.95mm，从而获得空间平均熔池温度测量结果。双色热成像将双色图像转换为热图，并已被用来捕获火焰温度与熔池类似，也表现出动态发射率。

卡内基梅陇大学的研究人员在此详细介绍了基于商用高速彩色相机的空间和时间分辨温度测量工具的开发和验证。通过在LPBF中使用彩色相机进行双色热成像，减轻了激光光路中的未对准问题，同时保持了高空间和时间分辨率。该方法减少了与对齐多个相机相关的挑战，并且通过使用具有内置彩色像素滤光器阵列的相机传感器消除了广泛的空间校正的需要。此外，该设置的便携性允许系统在机器之间移动并使用黑体进行验证空腔散热器。

△ 为了演示这项技术，在商用激光粉末床熔融3D打印机上，使用一台离轴高速彩色相机，以每秒22500帧的速度拍摄构建板上2.8×2.8mm的区域。

316L不锈钢在不同加工条件下的熔池温度场显示出3300K和3700K之间的峰值，这取决于激光功率和粉末存在时增加的可变性。

△  316L 不锈钢的熔池捕捉

In718和Ti6Al4V的测量显示出可比较的温度，然而，由于铝的蒸发增加了羽流阻碍，特别是在Ti6Al6V中。

△ 316L 不锈钢、In718 和 Ti-6Al-4V 的熔池温度场比较

△ 功率和速度组合的实验和模拟结果

将FLOW-3D®CFD模型拟合到316L不锈钢熔池横截面几何形状的原位测量中，可以确定菲涅耳系数和调节系数的多种组合，从而实现几何一致性。其中只有两种组合与热图像一致，激发了对热成像的需求，可将其作为推进复杂物理模型验证的一种手段。

总的来说，这种测量方法克服了传统红外测量技术的局限性，传统红外测量技术通常存在表面特性和可见度因素方面的问题。据科学家称，该方法的高帧速率和分辨率为复杂过程提供了新的视角。除了精确的温度测量之外，该方法还提供了用于模拟3D打印过程的新参数。根据熔池中峰值温度的分布，可以研究材料蒸发和最终部件的微观结构。该方法的一个主要优点是它独立于金属蒸气的发射率和透射率，这些材料参数不再需要花费巨大的代价来确定。

研究人员已经能够利用相机技术记录温度曲线取得有希望的结果。他们看到了将其方法转移到其他3D打印工艺的巨大潜力，从而提高航空或机械工程中增材制造的质量和效率。