導讀

在粉末床激光金屬熔化（PBF-LB/M）增材制造過程中，實現(xiàn)高精度的過程監(jiān)控與誤差檢測對提升部件質(zhì)量至關重要。阿倫大學激光應用中心采用友思特合作伙伴iDS Imaging Development Systems的兩款高性能USB3工業(yè)相機，構建了一套完整的視覺檢測系統(tǒng)：其中U3-3040CP-C-HQ相機負責對飛濺、煙塵形成等動態(tài)過程進行高速捕捉，而U3-3990SE相機則實現(xiàn)對粉末層和再熔化層的高分辨率靜態(tài)檢測。

該方案不僅為工藝參數(shù)優(yōu)化提供了關鍵數(shù)據(jù)支持，更成功應用于難加工材料FeSi6.5軟磁元件的制造，展現(xiàn)了iDS工業(yè)相機在增材制造質(zhì)量控制領域的專業(yè)價值。

一、技術背景與挑戰(zhàn)

粉末床激光金屬熔化（PBF-LB/M）是增材制造領域的一項關鍵技術，能夠生產(chǎn)具有定制化材料和功能特性的高度復雜、高性能的金屬部件。該技術應用于眾多行業(yè)—從航空航天、醫(yī)療技術到汽車工業(yè)—并被認為是對未來制造具有開創(chuàng)性意義的技術。工藝監(jiān)控和控制方面的進步對于進一步提高該制造工藝的質(zhì)量、可重復性和效率至關重要。

一個關鍵的挑戰(zhàn)在于對逐層激光熔化過程進行精確分析，因為這對部件質(zhì)量具有決定性影響。作為提高工藝穩(wěn)定性和效率研究的一部分，阿倫大學激光應用中心的學生和科研人員正在對PBF-LB/M過程進行全局、動態(tài)的觀測。在基于溫度反饋的高速過程控制背景下，研究人員探究了諸如飛濺和煙塵形成、凝固行為以及增材制造過程中機械部件安全運動等現(xiàn)象。此外，還輔以對重熔部件層幾何形狀的高分辨率靜態(tài)分析以及對粉末層中潛在缺陷的精確檢測，以便能夠?qū)ψ罱K部件質(zhì)量得出有充分依據(jù)的結(jié)論。

該研究項目的成像組件是兩臺來自友思特深度合作伙伴iDS Imaging Development Systems的高性能USB3工業(yè)相機。

采用iDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2與U3-3990SE-M-GL Rev.1.2相機搭建的增材制造檢測平臺

二、雙相機系統(tǒng)配置方案

相機選型與分工

這兩項任務需要不同的相機型號。"我們使用USB3 uEye CP相機系列中的一款型號，用于對PBF-LB/M過程（如飛濺或煙塵形成）進行全局、動態(tài)的觀察。而對于粉末層和再熔化的部件層幾何結(jié)構中的異常情況進行靜態(tài)、高分辨率識別，我們使用的是SE系列的USB3 uEye相機，" LAZ的研究助理David Kolb解釋。

動態(tài)過程監(jiān)控要求

由于在PBF-LB/M中的應用領域不同，對這友思特合作伙伴iDS的相機系統(tǒng)要求也各不相同。

David Kolb在解釋相機型號的選擇時說道："由于基于粉末床的金屬激光熔融是一個高度動態(tài)的增材制造過程，部件是逐層生成的，因此以下特性對于全局動態(tài)監(jiān)控尤為重要, 相機必須提供:

超過1000 x 1000像素的分辨率

超過100 fps的幀率

覆蓋至少100 mm x 100 mm的視場

擁有用于視頻錄制的觸發(fā)端口

三、動態(tài)監(jiān)控相機的性能與應用

相機性能特點

所選的U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2型號即使在弱光條件下或需要拍攝快速移動物體時，也能實現(xiàn)出色的圖像質(zhì)量。其所采用的索尼Pregius系列的集成IMX273全局快門CMOS傳感器，因其圖像質(zhì)量、高靈敏度和寬動態(tài)范圍而備受贊譽。該傳感器具有158萬像素（1456 x 1088 px）的分辨率，并能達到每秒251幀的幀率——這對于動態(tài)過程的詳細視頻和圖像分析而言是理想之選。

使用友思特合作伙伴iDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2相機及iDS peak軟件對粉末床激光熔融（PBF-LB/M）過程進行多配色與曝光參數(shù)下的全局工藝監(jiān)測

應用效果分析

這段視頻序列/圖像展示了采用不同激光參數(shù)的PBF-LB/M逐層加工過程，使用iDS的U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2相機通過iDS peak軟件錄制。"通過調(diào)整工業(yè)相機的設置，可以觀察和量化各種工藝特性，例如材料蒸發(fā)或PBF-LB/M過程中飛濺物的數(shù)量和方向，"David Kolb在描述該應用時說。

"由此獲得的知識為我們提供了重要依據(jù)，使我們能更深入地理解增材制造過程中的激光與材料相互作用，并能根據(jù)材料特性或部件幾何形狀等因素定制制造參數(shù)。" —激光應用中心（LAZ）研究助理 David Kolb

四、工藝參數(shù)確定與材料應用

為確定工藝參數(shù)，研究人員通過增材制造方式生產(chǎn)了立方體構件，并采用USB3 uEye CP相機對全局制造過程進行分析。這使得我們能夠確定最佳激光參數(shù)，從而利用難加工的6.5wt.%硅鐵合金（FeSi6.5）制備新型軟磁元件，用于制造未來更高效率的電動機?；诖斯に囬_發(fā)的FeSi6.5定子半殼件，憑借其經(jīng)優(yōu)化的三維磁通路徑，可完美適配橫向磁通電機特殊需求。

該材料的高電阻特性結(jié)合PBF-LB/M工藝的設計自由度，能有效降低渦流損耗、提升功率密度，并實現(xiàn)冷卻結(jié)構等附加功能的集成。無論是復雜幾何形狀還是脆性軟磁材料FeSi6.5，采用傳統(tǒng)制造工藝幾乎都無法實現(xiàn)加工生產(chǎn)，必須借助增材制造技術方可完成。

采用增材制造技術成形的橫向磁通電機軟磁定子半殼件（材料：FeSi6.5），位于成型基板上

五、靜態(tài)高分辨率檢測方案

對于粉末層或構件層幾何形貌的靜態(tài)高分辨率觀測，除需配備單幀圖像采集觸發(fā)端口外，對相機性能另有特殊要求：傳感器必須能檢測40微米以下的幾何特征以識別層間缺陷，同時需提供至少100mm×100mm的視場及盡可能接近1:1的方形畫幅比例。

而配備2000萬像素（4512×4512px）的工業(yè)相機U3-3990SE Rev.1.2正滿足這些需求—該機型采用索尼Pregius S系列的IMX541型高性能CMOS傳感器，具備超高清分辨率及1.1英寸大靶面。其采用的背照式（BSI）技術不僅實現(xiàn)了2.74微米的微像素尺寸與更高分辨率，更顯著提升了量子效率與感光靈敏度。

針對IDS U3-3990SE-M-GL Rev.1.2相機的靜態(tài)觀測需求，對粉末構件幾何鋪層檢測平臺進行定位結(jié)構設計調(diào)整

友思特 uEye+ CP系列高性能工業(yè)相機

友思特 iDS uEye+ CP系列 工業(yè)相機 支持“緊湊型供電裝置”，即適用于各種工業(yè)應用的微型電源。它的功能十分強大，自帶像素預處理功能。此外，因內(nèi)置120MB圖像內(nèi)存，非常適用于多相機系統(tǒng)。

這款相機以千兆以太網(wǎng)最高傳輸率傳輸數(shù)據(jù)，并且由于支持以太網(wǎng)供電（PoE），單根線纜的工作長度最長可達100m。用戶可從Sony、ams/CMOSIS、e2v和onsemi等制造商中選擇多種不同分辨率的CMOS傳感器。

其外殼設計獨具創(chuàng)新并已獲得專利, 尺寸僅29 x 29 x 29毫米, 此外, 旋入式線纜可確保導電連接安全穩(wěn)妥。這款相機適用于自動化、汽車、印刷和包裝業(yè)、醫(yī)療技術和生命科學、農(nóng)業(yè)、物流以及交通運輸?shù)阮I域的作業(yè)。帶GigE接口的uEye CP相機在控制機器人抓手方面也擁有出色的表現(xiàn)。

審核編輯 黃宇