红外成像与X射线成像联手改善3D打印零件的再现性

据麦姆斯咨询报道，在美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的先进光子源（Advanced Photon Source）中新增红外相机，大大缩小了增材制造基础研究和应用研究之间的差距。

3D打印行业面临的最大挑战之一是如何确保零件的高质量再现性。没有检测和阻止缺陷的手段，该技术在生产商用零件时就会受限。

美国能源部建设的阿贡国家实验室为工业界和研究领域提供了一款新工具，工业设计师们由此就具备了发现缺陷的能力。在阿贡国家实验室先进光子源的高能X射线源上安装红外相机，研究人员可以实时测量表面的热特征。

阿贡国家实验室是第一个将金属3D打印设备应用到光束路径、光子路径和X射线诊断的国家实验室，也是唯一能在1纳秒内在“熔池”里实现金属粉末熔化的实验室。阿贡国家实验室将高速红外相机与同步辐射光束线结合，又一次创造了“第一”，这一创举让研究人员在制造过程中能获得重复性良好的产品。

诊断工具的结合让工程人员和研究人员以每秒100万帧的速度获得X射线图像，并在3D打印过程中以每秒10万帧的速度获得热图像。熔池的不稳定、粉末飞溅、不恰当的扫描方案引发的关键缺损将被记录下来。

红外+X射线=互补型成像

与X射线显微镜结合使用，高速热成像可以提供不同区域加热和冷却部位的速度和状态信息，其中包括数百万激光线扫描。这些信息对减少零件设计变量，并提高消费品、国防、医药、汽车及其他应用领域增材制造的效率。

阿贡国家实验室的物理学家Tao Sun谈到：“红外和X射线成像相辅相成。一方面，你可以用X射线穿透样品，以帮助你看到没有任何热信息的微观结构；另一方面，你可以用红外相机捕捉到许多相关的热特征。”

红外相机增强X射线成像的一种方式是帮助可视化气化粉末羽流的形成，这些羽流被激光击中形成并穿过粉末，在高温下会对激光性能造成破坏。

由于粒子处于蒸发状态，不能单独使用X射线看到这些羽流，而是被红外光捕获。除了X射线测量之外，其他重要参数如加热和冷却速率等数据也可以输入3D打印模型以提高其精度和速度。

基础研究与应用科学的桥梁

新增红外相机，阿贡国家实验室的研究人员通过实时测量表面的热特征深入研究3D打印详情

红外相机的另一个主要优点是其具备被集成到增材制造系统的能力，为先进光子源基础研究更接近于真实世界用户搭建了桥梁。

Sun认为，增材制造系统的用户可以将红外照相机安装到他们的机器上，利用从X射线和红外成像耦合发现的问题，例如与缺陷形成（通过X射线成像观察）相关的热特征（通过红外成像发现）。如果找到了缺陷，用户可以给予标识，并采取措施来减轻或修复问题。

Sun说：“潜在应用还很遥远，但是这两种成像技术结合在一起的潜在优势是可以枚举出来的。并不是每个人都足够幸运，都有机会接触到像先进光子源这样强大的X射线光源。如果我们能够找到传递信息的方法，并利用大多数人能够接触到的工具，比如热像仪，我们就可以对这个领域产生更大的影响。”

红外相机位于先进光子源的32-ID-B光束线。红外相机是阿贡国家实验室制造科学和工程项目的一部分，称为LDRD项目。