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NIST開發增材制造計量測試平臺（AMMT）可實時監測金屬3D打印過程

美國國家標準技術研究院（NIST）正在開發和測試一種定制型3D打印機——增材制造計量測試平臺（AMMT），可對金屬3D打印技術進行優化。通過該打印機，研究人員能夠完全控制打印過程，從而進行實時深入的研究。這項研究將有助于生產用于金屬3D打印的新型監測和計量工具。

隨著3D打印技術在制造領域的深入推進，生產過程中產生了大量的缺陷問題。如金屬3D打印部件在打印層經常出現一些微小空隙，這將導致應力的積累，降低打印結構的性能，最終導致翹曲或開裂問題的發生。為此，NIST工程實驗室和物理測量實驗室合作研制了AMMT，試圖解決金屬增材制造中日益增長的質量控制問題。

NIST研究人員通過收集一些有關3D打印過程的基本信息，包括熔化金屬的溫度和如何降低應力，這能夠幫助研究人員找出相應的傳感器，使3D打印機用戶詳細了解設備內部發生的情況。目前，在增材制造領域，已將傳感器和監測系統納入3D打印機，NIST希望開發具有同樣性能的平臺，用于需求精確測量熔化金屬溫度的方法。

AMMT的工作原理與傳統金屬3D打印機一樣，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打印過程是完全開放的，可以進行實時修改。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格的過程處理的信息反饋循環，從而清楚的了解發生的問題及如何改進。

目前，AMMT能夠熔化鈦、鈷鉻合金和鎳合金等三種常見類型的金屬粉末。3D打印發生的大多數問題是在金屬重新凝固前的粉末熔化過程中，因此NIST研究團隊決定精確測量出熔化金屬所需要的溫度。能夠做到這一點的最好方法是測量從“熔池”反射出的光的性質。光的顏色可隨液體金屬的熱量變化而變化，并且獲得關于各種波長的亮度信息有助于確定物體在3D打印時的溫度變化。

據研究人員介紹，溫度傳感器可為大多數3D打印機用戶提供足夠的信息來優化打印過程，然而，NSIT研究團隊的目標是得到絕對的溫度測量值，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對一些較長波長的亮度進行測量，對于較短波長的藍色可見光的測量，也就是更高溫度，則需要不同的方法。為此，在未來的一年半時間內，研究人員將研究一種被稱為TEMPS（熔體、粉末和固體的溫度和輻射強度）的新型傳感器系統。該系統包括多個光譜儀和一個半球形反射計，研究人員表示，利用TEMPS系統可獲得放大和擴展三倍的波長范圍。隨著這種計量技術的進步，也可以開發能夠對其他類型的金屬粉末進行測量的傳感器。

最終，NIST的測量技術甚至可以應用到3D打印領域之外，因為其技術也適用于觀察任何承受極端高溫變化的固體材料，如高超音速飛機的翼尖。NIST的研究表明，采用3D打印技術不僅可改變制造業，還可以在各個領域促進具有重要價值的研究。（北方科技信息研究所  王召陽）