計(jì)量論壇

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）正在開(kāi)發(fā)和測(cè)試一種定制型3D打印機(jī)——增材制造計(jì)量測(cè)試平臺(tái)（AMMT），可對(duì)金屬3D打印技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)該打印機(jī)，研究人員能夠完全控制打印過(guò)程，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)深入的研究。這項(xiàng)研究將有助于生產(chǎn)用于金屬3D打印的新型監(jiān)測(cè)和計(jì)量工具。

隨著3D打印技術(shù)在制造領(lǐng)域的深入推進(jìn)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的缺陷問(wèn)題。如金屬3D打印部件在打印層經(jīng)常出現(xiàn)一些微小空隙，這將導(dǎo)致應(yīng)力的積累，降低打印結(jié)構(gòu)的性能，最終導(dǎo)致翹曲或開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。為此，NIST工程實(shí)驗(yàn)室和物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室合作研制了AMMT，試圖解決金屬增材制造中日益增長(zhǎng)的質(zhì)量控制問(wèn)題。

NIST研究人員通過(guò)收集一些有關(guān)3D打印過(guò)程的基本信息，包括熔化金屬的溫度和如何降低應(yīng)力，這能夠幫助研究人員找出相應(yīng)的傳感器，使3D打印機(jī)用戶(hù)詳細(xì)了解設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的情況。目前，在增材制造領(lǐng)域，已將傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)納入3D打印機(jī)，NIST希望開(kāi)發(fā)具有同樣性能的平臺(tái)，用于需求精確測(cè)量熔化金屬溫度的方法。

AMMT的工作原理與傳統(tǒng)金屬3D打印機(jī)一樣，用激光熔化金屬粉末，并逐層打印出部件的形狀。不同的是，AMMT打印過(guò)程是完全開(kāi)放的，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)修改。激光器的速率可控制在10kHz（每10微秒一次）。這樣可使研究人員獲得更為嚴(yán)格的過(guò)程處理的信息反饋循環(huán)，從而清楚的了解發(fā)生的問(wèn)題及如何改進(jìn)。

目前，AMMT能夠熔化鈦、鈷鉻合金和鎳合金等三種常見(jiàn)類(lèi)型的金屬粉末。3D打印發(fā)生的大多數(shù)問(wèn)題是在金屬重新凝固前的粉末熔化過(guò)程中，因此NIST研究團(tuán)隊(duì)決定精確測(cè)量出熔化金屬所需要的溫度。能夠做到這一點(diǎn)的最好方法是測(cè)量從“熔池”反射出的光的性質(zhì)。光的顏色可隨液體金屬的熱量變化而變化，并且獲得關(guān)于各種波長(zhǎng)的亮度信息有助于確定物體在3D打印時(shí)的溫度變化。

據(jù)研究人員介紹，溫度傳感器可為大多數(shù)3D打印機(jī)用戶(hù)提供足夠的信息來(lái)優(yōu)化打印過(guò)程，然而，NSIT研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是得到絕對(duì)的溫度測(cè)量值，最終獲得全面的表面溫度圖。目前，研究人員正在使用帶有特殊消色差的透鏡相機(jī)對(duì)一些較長(zhǎng)波長(zhǎng)的亮度進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于較短波長(zhǎng)的藍(lán)色可見(jiàn)光的測(cè)量，也就是更高溫度，則需要不同的方法。為此，在未來(lái)的一年半時(shí)間內(nèi)，研究人員將研究一種被稱(chēng)為T(mén)EMPS（熔體、粉末和固體的溫度和輻射強(qiáng)度）的新型傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括多個(gè)光譜儀和一個(gè)半球形反射計(jì)，研究人員表示，利用TEMPS系統(tǒng)可獲得放大和擴(kuò)展三倍的波長(zhǎng)范圍。隨著這種計(jì)量技術(shù)的進(jìn)步，也可以開(kāi)發(fā)能夠?qū)ζ渌?lèi)型的金屬粉末進(jìn)行測(cè)量的傳感器。

最終，NIST的測(cè)量技術(shù)甚至可以應(yīng)用到3D打印領(lǐng)域之外，因?yàn)槠浼夹g(shù)也適用于觀察任何承受極端高溫變化的固體材料，如高超音速飛機(jī)的翼尖。NIST的研究表明，采用3D打印技術(shù)不僅可改變制造業(yè)，還可以在各個(gè)領(lǐng)域促進(jìn)具有重要價(jià)值的研究。（北方科技信息研究所  王召陽(yáng)）