3D印表機AMMT開發金屬3D列印監測和計量工具

近日，美國商務部旗下的國家標準和技術研究所（NIST）製造出一台定製3D印表機，名為「增材製造計量測試平台（AMMT）」。利用這台機器，研究人員能完全控制整個金屬3D列印過程，從而對該工藝進行深度和實時研究。

這項研究有望催生新的金屬3D列印監測和計量工具，從而解決金屬增材製造中不斷增長的質量控制問題。金屬3D列印件的一些列印層中經常會出現微小的孔隙，這會導致應力積累，進而削弱列印結構，最終導致翹曲或開裂。

為了解決這個問題，NIST研究人員需要收集有關金屬3D列印過程的一些基本信息，包括熔融金屬有多熱、如何降低應力。有了這些信息，研究人員才能知道什麼樣的感測器能讓3D印表機用戶詳細了解機器內部正在發生的情況。「業界已經開始將感測器和監測系統納入3D印表機。我們也希望擁有這種能力，同時想要一個平台來測試各種全新的想法，」研究人員表示。

AMMT的工作原理與傳統的金屬3D印表機一樣，這台定製機器用激光來熔化粉末床上的粉末，逐層列印出一個部件的形狀。與大多數使用專有軟體的商業印表機不同的是，AMMT的列印過程可以實時修改，是完全開放的。激光的速度和功率可以控制在10kHz，也就是說每10微秒一次。這樣，研究人員能得到一個更嚴格的、列印過程方面的反饋循環，從而清楚地了解發生了什麼以及如何改進。

目前，AMMT能熔融三種常見金屬粉末——鈦、鈷鉻合金和鎳合金。金屬3D列印中的大多數問題發生在在粉末熔化階段，因此NIST團隊決定精確測量出熔融金屬的溫度。最好的測量方法是測量從「熔池」中反射出的光的性質。這些光的顏色根據液體金屬的溫度而變化，獲得這些波長的亮度信息有助於確定物體在3D列印時的溫度變化。

據研究人員說，能提供這些溫度變化的感測器會讓大多數3D印表機用戶擁有足夠的信息來優化他們的列印過程。「我們的最終目的是獲得一個全面的表面溫度圖，」研究人員表示。目前，他們正在使用一種帶有一個特殊消色差透鏡的相機來測量一些較長波長的亮度。為了測量更短的波長，也即是更高溫度，研究人員將需要不同的診斷方法。

在接下來的一年半，研究人員將開發一種名為TEMPS（熔體、粉末和固體的溫度和輻射強度）的新感測器系統。它將包括多個光譜儀和一個半球形反射計。「有了TEMPS系統，我們將獲得放大和擴展三倍的波長範圍，」研究人員說。隨著這種計量技術的進步，能對其他類型的金屬粉末進行類似測量的感測器也將被開發出來。

最終，NIST的測量技術甚至可以應用到3D列印之外的領域，因為他們的技術可用來觀察任何正在經歷極端的高溫變化的固體材料。例如，超音速飛機的翼尖將是一個完美的觀測候選對象。NIST的工作表明，3D列印技術的採用不僅可以改變製造業，還能在各個領域激發重要和有用的研究。

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