兩年前，美國商務(wù)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）發(fā)布了一份關(guān)于金屬3D打印粉末的報(bào)告，其中包括了一套粉末床金屬3D打印融合工藝指南。據(jù)悉，該報(bào)告是為了改進(jìn)制造和促進(jìn)可靠性以及過程控制而編制的。NIST表示，這些指南確定了AM過程中重要的未知事實(shí)，因此研究人員希望該方法能夠進(jìn)行自動(dòng)微調(diào)。

自2010年以來，金屬3D打印產(chǎn)品和服務(wù)市場(chǎng)已經(jīng)增長了近五倍。雖然技術(shù)很受歡迎，但很難對(duì)其制作的產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制。部分強(qiáng)度可以通過層中的微小孔減少，并且殘余應(yīng)力可以增加。同時(shí)，層冷卻，引起裂紋和翹曲。根據(jù)NIST的Brandon Lane博士聲稱，在同一3D打印機(jī)上以兩種同樣方式制造的金屬產(chǎn)品可能不會(huì)“以相同的尺寸出來”。

“在3D打印領(lǐng)域，工業(yè)界已經(jīng)開始將傳感器和顯示器放在AM機(jī)器上。因此，我們希望擁有這些能力，并擁有一個(gè)可以測(cè)試傳感器新想法的平臺(tái)，”Lane博士說。

現(xiàn)在，NIST正在探索金屬3D打印工藝，并建立了一個(gè)3D打印機(jī)測(cè)試平臺(tái)，以確定如何給用戶更多的控制過程。研究人員將使用稱為添加劑制造計(jì)量試驗(yàn)臺(tái)（AMMT）的定制打印機(jī)測(cè)試平臺(tái)來研究和探索金屬添加劑制造過程，從而使制造商和工程師能夠在金屬3D打印部件上保持更高的可預(yù)測(cè)性。AMMT將允許NIST制作可以實(shí)時(shí)監(jiān)控流程的工具，以回答像熔融金屬在每一層中有多熱的問題，以及如何降低導(dǎo)致打印翹曲和破裂的應(yīng)力。

NIST研究人員Steven Grantham、Lane博士、Jorge Neira、Sergey Mekhontsev、Mihaela Vlasea和Leonard Hanssen發(fā)表了一篇題為“NIST的AMMT /TEMPS設(shè)備的光學(xué)設(shè)計(jì)和初步結(jié)果”的文章，他們能夠使用AMMT完全控制添加劑制造過程，與在商業(yè)系統(tǒng)上控制其的專有軟件不同。

Lane博士說：“商業(yè)打印機(jī)有點(diǎn)像黑盒子。用戶可以設(shè)置一定的激光功率和速度，但是它們真的不能控制每一個(gè)微秒的過程。通過我們的系統(tǒng)，我們可以控制100千赫茲激光器的速度和功率，即每10微秒一次?！?/span>

在尺寸方面，AMMT大致上是小型車的尺寸，與商業(yè)打印機(jī)的共同點(diǎn)在于其使用激光粉末床熔合。打印機(jī)內(nèi)部的機(jī)械臂將均勻的金屬粉末層施加到金屬板，高功率激光束以設(shè)計(jì)圖案移動(dòng)穿過粉末的表面，并熔化粉末，其在短暫液化之后冷卻成固體。通常，在熔化過程中會(huì)發(fā)生問題，而NIST需要一種方法來監(jiān)測(cè)熔池的溫度，測(cè)量其脫落的光的性質(zhì)，因?yàn)椴牧细鶕?jù)其溫度變化呈現(xiàn)不同的顏色。

據(jù)悉，目前AMMT可以使用鈷鉻、鎳合金和不銹鋼來測(cè)量亮度。根據(jù)Dr. Lane的說法，許多添加劑制造用戶“可能只想要熔池波動(dòng)的相對(duì)測(cè)量?！?/span>

據(jù)悉，研究目標(biāo)是將這些相對(duì)測(cè)量值轉(zhuǎn)換為絕對(duì)測(cè)量值，因此可以使用亮度和其他性能來測(cè)量熔池的實(shí)際溫度。為了完成這個(gè)目標(biāo)，NIST將必須表征AMMT系統(tǒng)，并確保光強(qiáng)度傳感器。

Lane博士說：“最終我們想在寬范圍的光波長范圍內(nèi)達(dá)到表面的全溫度圖?！?/span>

該范圍將能夠從大約400nm的可見藍(lán)光延伸到約10微米的中紅外（IR）光，這最后波長太長，不能用肉眼看到。目前，該團(tuán)隊(duì)使用具有自定義消色差透鏡的相機(jī)來測(cè)量這些波長中的一些熔融物的亮度。

Grantham解釋說：“但是在較高的溫度下，藍(lán)光更短，波長較短的可見光也很重要。所以我們實(shí)際上會(huì)有一些不同的方法來衡量?！?/span>

Grantham正在談?wù)撘环N稱為熔體、粉末和固體的溫度和發(fā)射（TEMPS）的裝置。發(fā)光度是指與物體發(fā)出光線相比，物質(zhì)能夠在一定溫度下熄滅光的能力。這樣的裝置可以用來研究經(jīng)受極端熱的固體材料，如超音速飛機(jī)的翼尖。

TEMPS將用半球反射計(jì)收集關(guān)于熔池反射的光的數(shù)據(jù)，該裝置將允許研究人員映射池的發(fā)射率及其變化的溫度。通過了解熔池的發(fā)射率，該團(tuán)隊(duì)將更好地了解熔融金屬如何吸收激光的光，從而有助于它們確定池的實(shí)際溫度。TEMPS還將包括光譜儀，因此研究人員可以測(cè)量大約10微米波長的完整可見光和紅外光譜。

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來源：3D虎