增材制造中的高精度过程监控和误差检测

一个关键的挑战是对逐层激光熔化过程进行精确分析，因为这对部件质量有着决定性的影响。作为提升工艺稳定性和效率的研究的一部分，阿伦大学 Aalen University LaserApplicationCentre（LAZ）的学生和科研人员正在对 PBF-LB/M 工艺进行全球范围内的动态观测。在带温度反馈的高速过程控制背景下，研究了快速成型制造过程中的飞溅和烟雾形成、凝固行为以及机械部件的安全移动等现象。此外，还可对重熔部件层几何形状进行高分辨率静态分析，并精确检测粉末层中的潜在缺陷，从而对所产生的部件质量得出有理有据的结论。该研究项目的成像组件是两台来自 IDS Imaging Development Systems 的高性能 USB3 工业相机。

两台 IDS 工业相机提供必要的图像信息

这两种不同的任务需要不同型号的相机。“我们使用USB 3 uEye CP相机系列中的型号，对PBF-LB/M工艺进行全球性动态观察，例如飞溅或烟雾形成。而 USB 3 uEye SE 系列相机则用于对粉末层及重熔组件层几何结构中的异常进行静态高分辨率识别，”LAZ 的研究助理 David Kolb 解释道。

相机系统的要求

由于在 PBF-LB/M 中的应用领域不同，这两套 IDS 相机系统的技术要求也存在差异。

“由于基于粉末床的激光熔化金属是一种高度动态的增材制造工艺，其中部件是通过逐层堆积的方式生成，因此以下特性对于实现全球范围内的动态监测尤为重要：相机必须具备超过 1000×1000 像素的分辨率和超过 100 fps 的帧率，覆盖至少 100 mm × 100 mm 的图像区域，并配备用于视频录制的触发端口，”David Kolb 解释道，阐述了相机型号的选择原因。所选的 U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 即使在低光照条件下或拍摄快速移动的物体时，也能提供出色的图像质量。该相机集成的索尼Pregius IMX273全局快门CMOS传感器，凭借其出众的图像质量、高灵敏度和宽动态范围而表现尤为出色。其分辨率为 1.58 百万像素（1456 x 1088 px），每秒可拍摄 251 帧，非常适合对动态过程进行详细的视频和图像分析。

视频序列/图像显示了使用不同激光参数的逐层 PBF-LB/M 加工过程，该过程使用 IDS 的 U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 记录，并使用 IDS peak 软件进行处理。“根据工业相机的设置，可以观察并量化PBF-LB/M工艺中的各种工艺特性，例如材料蒸发或飞溅的数量和方向，”David Kolb 在描述该应用时说道。

为了确定工艺参数，制造了立方体形状的组件，并使用 USB 3 uEye CP 相机分析了整体制造过程。这使得能够确定最佳激光参数，从而能够从难以加工的含6.5%硅的铁硅合金（FeSi6.5）中生产出新型软磁组件，用于制造未来更高效的电动机。基于FeSi6.5材料制成的定子半壳，凭借其优化的三维磁通引导结构，能够完美适应横向磁通电机（Transverse Flux Machines）的特殊要求。该材料的高电导率以及 PBF-LB/M 工艺的设计灵活性，使得能够降低涡流损耗、提高功率密度，并集成额外的功能，如冷却结构。无论是复杂的几何结构，还是脆性、软磁性材料 FeSi6.5，都几乎无法通过传统制造工艺进行生产或加工，因此必须采用增材制造技术。

对于静态、高分辨率的粉末层或组件层几何结构观察，另一方面，除了需要一个用于单帧成像的触发端口外，还特别需要以下相机特性：传感器必须能够检测到小于 40 µm 的几何特征，以识别层中的缺陷，并提供至少 100 mm × 100 mm 的图像场和尽可能接近正方形（1:1）的图像比例。20.36 百万像素（4512 x 4512 px）工业相机 U3-3990SE Rev.1.2 恰恰能够实现这一点。IMX541 采用 Sony Pregius S系列的高性能、超高分辨率、大尺寸 1.1 英寸 CMOS 传感器。所使用的 BSI 技术（“背面发光”）可实现更小的像素（2.74 µm）和更高的分辨率，以及更高的量子效率和灵敏度。

“得益于这些特别用户友好且可灵活集成的IDS摄像头，对测试设置所需的调整能够快速且轻松地完成，从而使 USB 3 uEye SE 能够以特定角度精确定位，”David Kolb 解释道。对各个粉末成分几何层进行近垂直观察，一旦最终调整完成，将为了解成分质量和潜在制造缺陷提供宝贵信息。通过这种方式，可以获得关于增材制造部件性能的关键信息，并将其专门用于优化制造工艺。

应用前景

在 PBF-LB/M 领域的研究对于新型材料合金的开发与加工，以及高性能、有时是多材料组件几何结构的制造至关重要。对工艺的深入了解有助于最大限度地减少缺陷，实现传统生产方法无法实现的创新设计。IDS 相机可提供对 PBF-LB/M 的深入洞察，从而为研发与技术转让 (R&D&T) 提供宝贵帮助——例如在新材料合金的加工或复杂、应用优化（多材料）组件的生产方面。

未来，人工智能将用于自动分析 PBF-LB/M 的动态和静态观测。目标是进一步深入理解高度动态的激光-材料相互作用——例如飞溅的数量和轨迹以及工艺缺陷的形成——并从资源效率和可持续性角度进一步优化增材制造工艺。