導(dǎo)讀

在粉末床激光金屬熔化（PBF-LB/M）增材制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高精度的過(guò)程監(jiān)控與誤差檢測(cè)對(duì)提升部件質(zhì)量至關(guān)重要。阿倫大學(xué)激光應(yīng)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(jī)，構(gòu)建了一套完整的視覺檢測(cè)系統(tǒng)：其中U3-3040CP-C-HQ相機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)飛濺、煙塵形成等動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行高速捕捉，而U3-3990SE相機(jī)則實(shí)現(xiàn)對(duì)粉末層和再熔化層的高分辨率靜態(tài)檢測(cè)。

該方案不僅為工藝參數(shù)優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，更成功應(yīng)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(jī)在增材制造質(zhì)量控制領(lǐng)域的專業(yè)價(jià)值。

一、技術(shù)背景與挑戰(zhàn)

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

一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)在于對(duì)逐層激光熔化過(guò)程進(jìn)行精確分析，因?yàn)檫@對(duì)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(xué)激光應(yīng)用中心的學(xué)生和科研人員正在對(duì)PBF-LB/M過(guò)程進(jìn)行全局、動(dòng)態(tài)的觀測(cè)。在基于溫度反饋的高速過(guò)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(guò)程中機(jī)械部件安全運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象。此外，還輔以對(duì)重熔部件層幾何形狀的高分辨率靜態(tài)分析以及對(duì)粉末層中潛在缺陷的精確檢測(cè)，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(xiàng)目的成像組件是兩臺(tái)來(lái)自友思特深度合作伙伴iDS Imaging Development Systems的高性能USB3工業(yè)相機(jī)。

采用iDS U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2與U3-3990SE-M-GL Rev.1.2相機(jī)搭建的增材制造檢測(cè)平臺(tái)

二、雙相機(jī)系統(tǒng)配置方案

相機(jī)選型與分工

這兩項(xiàng)任務(wù)需要不同的相機(jī)型號(hào)。"我們使用USB3 uEye CP相機(jī)系列中的一款型號(hào)，用于對(duì)PBF-LB/M過(guò)程（如飛濺或煙塵形成）進(jìn)行全局、動(dòng)態(tài)的觀察。而對(duì)于粉末層和再熔化的部件層幾何結(jié)構(gòu)中的異常情況進(jìn)行靜態(tài)、高分辨率識(shí)別，我們使用的是SE系列的USB3 uEye相機(jī)，" LAZ的研究助理David Kolb解釋。

動(dòng)態(tài)過(guò)程監(jiān)控要求

由于在PBF-LB/M中的應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)這友思特合作伙伴iDS的相機(jī)系統(tǒng)要求也各不相同。

David Kolb在解釋相機(jī)型號(hào)的選擇時(shí)說(shuō)道："由于基于粉末床的金屬激光熔融是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)的增材制造過(guò)程，部件是逐層生成的，因此以下特性對(duì)于全局動(dòng)態(tài)監(jiān)控尤為重要, 相機(jī)必須提供:

超過(guò)1000 x 1000像素的分辨率

超過(guò)100 fps的幀率

覆蓋至少100 mm x 100 mm的視場(chǎng)

擁有用于視頻錄制的觸發(fā)端口

三、動(dòng)態(tài)監(jiān)控相機(jī)的性能與應(yīng)用

相機(jī)性能特點(diǎn)

所選的U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2型號(hào)即使在弱光條件下或需要拍攝快速移動(dòng)物體時(shí)，也能實(shí)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(dòng)態(tài)范圍而備受贊譽(yù)。該傳感器具有158萬(wàn)像素（1456 x 1088 px）的分辨率，并能達(dá)到每秒251幀的幀率——這對(duì)于動(dòng)態(tài)過(guò)程的詳細(xì)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(jī)及iDS peak軟件對(duì)粉末床激光熔融（PBF-LB/M）過(guò)程進(jìn)行多配色與曝光參數(shù)下的全局工藝監(jiān)測(cè)

應(yīng)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(guò)程，使用iDS的U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2相機(jī)通過(guò)iDS peak軟件錄制。"通過(guò)調(diào)整工業(yè)相機(jī)的設(shè)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(guò)程中飛濺物的數(shù)量和方向，"David Kolb在描述該應(yīng)用時(shí)說(shuō)。

"由此獲得的知識(shí)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(guò)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(yīng)用中心（LAZ）研究助理 David Kolb

四、工藝參數(shù)確定與材料應(yīng)用

為確定工藝參數(shù)，研究人員通過(guò)增材制造方式生產(chǎn)了立方體構(gòu)件，并采用USB3 uEye CP相機(jī)對(duì)全局制造過(guò)程進(jìn)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(lái)更高效率的電動(dòng)機(jī)?；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(jī)特殊需求。

該材料的高電阻特性結(jié)合PBF-LB/M工藝的設(shè)計(jì)自由度，能有效降低渦流損耗、提升功率密度，并實(shí)現(xiàn)冷卻結(jié)構(gòu)等附加功能的集成。無(wú)論是復(fù)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(wú)法實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)，必須借助增材制造技術(shù)方可完成。

采用增材制造技術(shù)成形的橫向磁通電機(jī)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(cè)方案

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

而配備2000萬(wàn)像素（4512×4512px）的工業(yè)相機(jī)U3-3990SE Rev.1.2正滿足這些需求—該機(jī)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(shù)不僅實(shí)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(duì)IDS U3-3990SE-M-GL Rev.1.2相機(jī)的靜態(tài)觀測(cè)需求，對(duì)粉末構(gòu)件幾何鋪層檢測(cè)平臺(tái)進(jìn)行定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)整

友思特 uEye+ CP系列高性能工業(yè)相機(jī)

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

這款相機(jī)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(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)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(shè)計(jì)獨(dú)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(dǎo)電連接安全穩(wěn)妥。這款相機(jī)適用于自動(dòng)化、汽車、印刷和包裝業(yè)、醫(yī)療技術(shù)和生命科學(xué)、農(nóng)業(yè)、物流以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的作業(yè)。帶GigE接口的uEye CP相機(jī)在控制機(jī)器人抓手方面也擁有出色的表現(xiàn)。

審核編輯 黃宇