Selektivní laserové tavení

Detekce procesních nesrovnalostí pro zmírnění vad a zajištění strukturální integrity

Selektivní laserové tavení (SLM) je široce uznávaná technologie aditivní výroby kovů, která využívá lože kovového prášku a vysoce výkonný laser k výrobě kovových dílů. Ačkoli se často označuje i jinými názvy, jako například přímé laserové spékání kovů (DMLS), standardizovaným termínem podle normy ASTM je práškové lože tavení (PBF). PBF je špičková technika v oblasti rychlého prototypování, 3D tisku a aditivní výroby, kde se laser s vysokou hustotou používá k přesnému tavení a spojování vrstev kovového prášku, čímž vznikají složité a vysoce kvalitní kovové součásti.

Navržený 3D produkt se tiskne selektivním tavením a opětovným tuhnutím kovových prášků vrstvu po vrstvě. Malý přírůstek snižuje pracovní platformu a poté se nanáší nová vrstva prášku.

Práškové lože se obvykle předehřívá, aby se snížila energie potřebná k dosažení teploty tání prášku. Rovnoměrné rozložení tepla je nezbytné pro výrobu vysoce kvalitního předmětu s homogenní kovovou strukturou.

Motivace pro monitorování teploty v selektivním laserovém tavení pramení z kritické potřeby řídit komplexní tepelnou dynamiku, která je tomuto procesu vlastní. SLM se spoléhá na vysokoenergetický laser, který selektivně taví vrstvy kovového prášku, což vede k rychlému tavení a tuhnutí, jež vytvářejí strmé teplotní gradienty. Tyto gradienty mohou vyvolat značné tepelné namáhání, které vede k vadám, jako jsou praskání, deformace a nežádoucí mikrostruktury, což ohrožuje kvalitu a mechanické vlastnosti konečného dílu.

Efektivní řízení teploty je nezbytné pro zmírnění těchto problémů. Vysoké rychlosti chlazení typické pro SLM mohou způsobit nerovnovážné tuhnutí, což vede k fázovému složení, které může materiál oslabit. Interakce laseru s materiálem navíc generuje v tavenině komplexní konvekční proudy, což může vést k nehomogennímu rozložení materiálu a tvorbě pórů nebo dutin. Tyto vady mohou snížit strukturální integritu součásti, což ji činí nevhodnou pro náročné aplikace.

Monitorování teploty je klíčové pro detekci nepravidelností, jako je nedostatečný odvod tepla, který může vést k pórům, delaminaci nebo nesprávnému tuhnutí. Pečlivým sledováním rozložení teploty a jejího vývoje v průběhu procesu lze udržet stabilitu procesu, optimalizaci parametrů a zlepšené mechanické vlastnosti a rozměrovou přesnost vyrobených dílů.

Infračervené teplotní senzory s integrovanými filtry blokujícími laser pro selektivní laserové tavení

Mezi klíčové aplikace patří detekce rozložení teploty na povrchu práškového lože a přesné měření teploty tání, přičemž obojí lze dosáhnout za provozu laseru – tento přístup je známý jako měření in situ. Infračervená termografie je navíc cenná pro analýzu procesu chlazení slinuté oblasti. Nedostatečný nebo nerovnoměrný ohřev může vést k nežádoucím vlastnostem součásti, které spadají mimo stanovené tolerance, což je problém, který lze účinně zmírnit termografickým řízením procesu. Infračervené kamery navíc mohou monitorovat výkon a rovnoměrnost sálavých ohřívačů v laserovém spékacím stroji, čímž zajišťují optimální provoz a konzistentní výsledky.

Emisivita je klíčová pro přesné měření teploty, protože se mění v závislosti na mnoha faktorech a musí být pečlivě kalibrována pro specifické aplikace. Teoreticky je emisivita ovlivněna vlastnostmi materiálu, kvalitou povrchu, teplotou, vlnovou délkou, úhlem měření a konfigurací použitou během měření. Nekovové povrchy si často zachovávají konzistentní emisivitu napříč různými vlnovými délkami, ale emitují méně záření než ideální černé těleso, což je klasifikuje jako šedá tělesa. Naproti tomu kovové povrchy, jejichž emisivita se mění s teplotou a vlnovou délkou, se nazývají selektivní zářiče.

Pro přesné měření teploty kovů se obecně doporučuje pracovat v krátkovlnném rozsahu. Kovové povrchy emitují nejvíce záření a mají vyšší emisivitu při zvýšených teplotách a kratších vlnových délkách. Při těchto kratších vlnových délkách se emisivita kovů více podobá emisivitě oxidů kovů, což snižuje potenciál chyb způsobených kolísáním emisivity.

Tato metoda však musí zohledňovat interakci laseru s materiálem, protože absorpce materiálu se rovná jeho emisivitě, v souladu s Kirchhoffovým zákonem tepelného záření. Přestože lasery pracují s mnohem užší šířkou pásma než infračervené kamery, je použití zářezového filtru nezbytné pro blokování vysoce výkonného laserového světla a zabránění přeslechům, které by mohly poškodit infračervený senzor.

Společnost Optris nabízí specializované infračervené kamery a pyrometry určené speciálně pro laserové aplikace. Infračervené kamery a pyrometry lze bezproblémově integrovat do laserového spékacího stroje, což uživatelům umožňuje provádět kritická měření v reálném čase.