Лазерный мир

Аддитивное производство (АМ, Additive Manufacturing ), также известное как 3D-печать, революционизирует производство.

В этой статье обсуждается, как инфракрасные (ИК) камеры могут помочь производителям найти систематические проблемы и определить, какие изменения необходимы для поддержания качества продукции.

Аддитивное производство (АМ, Additive Manufacturing ), также известное как 3D-печать, революционизирует производство. В отличие от субтрактивных производственных методов (методов вычитания), таких как механическая обработка а станках, технологии AM создают компоненты непосредственно из компьютерной модели, добавляя материал только там, где это необходимо. Тепло часто является неотъемлемой частью этого процесса, и его необходимо тщательно контролировать, чтобы увидеть запланированные результаты. В этой статье обсуждается, как инфракрасные (ИК) камеры могут помочь производителям найти систематические проблемы и определить, какие изменения необходимы для поддержания качества продукции.

Все больше высокотехнологичных организаций внедряют технологии аддитивного производства (АМ) для использования в приложениях, начиная от разработки продуктов и заканчивая специализированным производством в таких областях, как архитектурное проектирование, аэрокосмические компоненты и медицинские имплантаты. НАСА даже отправило на международную космическую станцию два разных 3D-принтера, предназначенных для работы в невесомости.

Преимущество AM заключается в том, что он обеспечивает гораздо большую гибкость конструкции, снижение энергопотребления и ускорение выхода на рынок. Но детали AM могут быть подвержены проблемам с качеством, тепловым нагрузкам и искажениям, которые трудно диагностировать. Изучение процесса и его тепловых свойств с помощью ИК-камеры может помочь производителям быстро внести коррективы с минимальными задержками производства.

Камера FLIR SC8202 MWIR контролирует стадию процесса AM.

Взять под контроль процесс

Пока исследователи экспериментируют с различными базовыми материалами — от термопластов, армированных углеродным волокном, до живых клеток — большинство аддитивных производителей используют технологию осаждения металлов или полимеров. Эти материалы сами по себе являются хитрыми, так как исследователи все еще работают над улучшением процессов AM и пониманием причин сбоев процессов.

Изготовленные аддитивным производством  детали подвержены различным проблемам качества, чаще всего из-за неизвестных причинно-следственных связей между настройками параметров производственного процесса и характеристиками процесса. Слишком часто параметры процесса устанавливаются с использованием методов проб и ошибок, которые отнимают много времени, являются дорогостоящими, очень субъективными и зависят от конкретной машины и материала.

Возможность быстрого и точного мониторинга технологического оборудования, материалов и деталей внутри процесса имеет решающее значение для исследования аддитивного производства. Типичные контактные формы измерения температуры, такие как термопары, термометры сопротивления и термисторы, будут трудно или невозможно эффективно использовать.

Тепловое изображение материала для укладки экструдера AM при высоких температурах.

Решением для многих исследователей является использование инфракрасных научных камер: высокоскоростных бесконтактных инструментов измерения температуры, которые могут обеспечить точность данных, необходимую для сопоставления данных о температуре в процессе с измерениями качества готовой детали. ИК-камеры могут отслеживать эффект изменений настроек принтера или используемых материалов. Эти камеры также могут помочь определить источник проблем с качеством, таких как пористость деталей, расслоение слоев, усадка, плохое качество поверхности, а также погрешности размеров и форм, а также тепловые напряжения и искажения.

Инструменты для контроля температуры

Инфракрасные камеры имеют функции, необходимые для контроля изменений температуры различных материалов. Ральф Динвидди, исследователь AM в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Ноксвилле, штат Теннесси, говорит, что в его лаборатории используются ИК-камеры для измерения температуры в нескольких местах и на разных этапах производственного процесса. «Нам нужна возможность регистрировать температуры на высоких скоростях и калибровать эти камеры с помощью нашего собственного источника черного тела», — объясняет Динвидди.

Обычными инструментами для исследователей AM могут быть высокоскоростные камеры со средне волновым инфракрасным излучением (MWIR, mid-wave infrared ), такие как FLIR X6900sc, и с более низким разрешением длинноволновые инфракрасные (LWIR, longwave infrared ) неохлаждаемые камеры, такие как FLIR A65sc. Отличающиеся возможности этих камер делают каждую из них особенно подходящей для конкретных наборов задач. Например, неохлаждаемый A65sc компактен и может быть легко установлен на полимерный 3D-принтер для контроля температуры наконечника экструдера и / или экструдированного материала. Его тепловая чувствительность менее 50 мК позволяет камерам A65sc различать незначительные колебания температуры. Для задач, для которых высокоскоростные измерения температуры имеют решающее значение, возможность оконного функционирования X6900sc обеспечивает необходимую более высокую частоту кадров.

Негабаритные принтеры AM могут создавать объекты размером с небольшой автомобиль.

Динвидди говорит, что для его исследования жизненно важно иметь камеру с возможностями управления окнами. Это означает, что камера считывает меньшую подгруппу пикселей на ИК-детекторе, уменьшая количество пикселей на кадр. Это позволяет камере отправлять больше кадров в секунду, обеспечивая более высокую частоту кадров.

Аксессуары могут быть важны, говорит Динвидди. «Моя работа также требует большой гибкости в отношении линз. Например, я использовал телеобъективы, широкоугольные объективы, стандартные 50-миллиметровые объективы, а также микроскопические и макрообъективы. Я также использовал удлинительные кольца, поэтому я могу сфокусироваться гораздо ближе, чем обычно ».

Хотя каждая новая система или материал AM представляет свой собственный набор характеристик, некоторые общие задачи включают в себя обнаружение пористости в реальном времени, в то время как детали печатаются с помощью систем электронного луча. Пора обычно появляется на тепловом изображении как темное пятно. Камеры также оказались особенно полезными для «набора» правильных параметров обработки, необходимых для предотвращения образования пор при работе с новыми составами порошкового металла.

Настольный принтер AM строит слои из polylactic acid  (PLA).

ИК-камеры могут помочь исследователям лучше понять роль температуры в построении полимерных 3D-систем. Они могут использовать камеру для измерения температуры каждого слоя детали при ее применении и изучать, как температура нижних слоев влияет на прочность связи между слоями. Камеры также используются для измерения температуры камеры сборки и отслеживания тепловых градиентов в самой детали, когда она охлаждается. Благодаря многим полимерным материалам равномерное охлаждение помогает снизить искажения в готовой детали, поэтому некоторые 3D-принтеры имеют подогреваемую сборочную камеру для замедления охлаждения внешних краев детали.

Заключение

ИК-камеры доказали свою ценность в развитии широкого спектра новых технологий AM, предоставляя ученым-материаловедам точные результаты, необходимые для точной настройки материалов, оборудования и параметров процесса. Это усовершенствование процесса AM поможет отрасли достичь ожидаемого быстрого роста в ближайшие годы.

Источник: https://www.photonicsonline.com/doc/improving-additive-manufacturing-with-the-help-of-infrared-0001