NIST开发增材制造计量测试平台,可实时监测金属3D打印过程

据南极熊了解，美国国家标准技术研究院（NIST）正在开发和测试一种定制型3D打印机——增材制造计量测试平台（AMMT），可对金属3D打印技术进行优化。通过该打印机，研究人员能够完全控制打印过程，从而进行实时深入的研究。这项研究将有助于生产用于金属3D打印的新型监测和计量工具。

随着3D打印技术在制造领域的深入推进，生产过程中产生了大量的缺陷问题。如金属3D打印部件在打印层经常出现一些微小空隙，这将导致应力的积累，降低打印结构的性能，最终导致翘曲或开裂问题的发生。为此，NIST工程实验室和物理测量实验室合作研制了AMMT，试图解决金属增材制造中日益增长的质量控制问题。

NIST研究人员通过收集一些有关3D打印过程的基本信息，包括熔化金属的温度和如何降低应力，这能够帮助研究人员找出相应的传感器，使3D打印机用户详细了解设备内部发生的情况。目前，在增材制造领域，已将传感器和监测系统纳入3D打印机，NIST希望开发具有同样性能的平台，用于需求精确测量熔化金属温度的方法。

AMMT的工作原理与传统金属3D打印机一样，用激光熔化金属粉末，并逐层打印出部件的形状。不同的是，AMMT打印过程是完全开放的，可以进行实时修改。激光器的速率可控制在10kHz（每10微秒一次）。这样可使研究人员获得更为严格的过程处理的信息反馈循环，从而清楚的了解发生的问题及如何改进。

目前，AMMT能够熔化钛、钴铬合金和镍合金等三种常见类型的金属粉末。3D打印发生的大多数问题是在金属重新凝固前的粉末熔化过程中，因此NIST研究团队决定精确测量出熔化金属所需要的温度。能够做到这一点的最好方法是测量从“熔池”反射出的光的性质。光的颜色可随液体金属的热量变化而变化，并且获得关于各种波长的亮度信息有助于确定物体在3D打印时的温度变化。

据研究人员介绍，温度传感器可为大多数3D打印机用户提供足够的信息来优化打印过程，然而，NSIT研究团队的目标是得到绝对的温度测量值，最终获得全面的表面温度图。目前，研究人员正在使用带有特殊消色差的透镜相机对一些较长波长的亮度进行测量，对于较短波长的蓝色可见光的测量，也就是更高温度，则需要不同的方法。为此，在未来的一年半时间内，研究人员将研究一种被称为TEMPS（熔体、粉末和固体的温度和辐射强度）的新型传感器系统。该系统包括多个光谱仪和一个半球形反射计，研究人员表示，利用TEMPS系统可获得放大和扩展三倍的波长范围。随着这种计量技术的进步，也可以开发能够对其他类型的金属粉末进行测量的传感器。

最终，NIST的测量技术甚至可以应用到3D打印领域之外，因为其技术也适用于观察任何承受极端高温变化的固体材料，如高超音速飞机的翼尖。NIST的研究表明，采用3D打印技术不仅可改变制造业，还可以在各个领域促进具有重要价值的研究。
来源：中国国防科技信息网(北京)