激光粉末床熔融过程中用于测量冷却速率的热成像与光照成像结合技术

《Additive Manufacturing》：Combined thermal and illuminated imaging for cooling rate measurements in laser powder bed fusion

　　

Craig M. Weeks|Alexander J. Myers|Nathan A. Wassermann|Guadalupe Quirarte|Jack L. Beuth|Sneha P. Narra|Satbir Singh|Jonathan A. Malen

摘要

在本研究中，我们提出了一种技术，利用单个RGB彩色相机和蓝色激光照明源，同时实现激光粉末床熔融工艺的比率测量（双色）成像与照明成像。通过比率温度测量获取热数据，再借助UNet机器学习模型从照明图像中提取熔池长度和宽度等形态学数据。通过追踪这些特征随时间的变化并结合它们来计算温度梯度，我们证明了可以直接从RGB视频数据中准确估算熔池后端的凝固冷却速率的可行性。316L不锈钢熔池的沿行方向冷却速率在$1.7\times 10^5$与$3.0\times 10^6$ K/s之间，且呈现与熔池线性能量密度增加呈反比的关系。从单条轨迹测得的晶胞间距与冷却速率之间存在幂律相关性，R²值为0.958。冷却速率与各个相机通道信号之间也存在着相当高的相关性（R²值为0.72-0.84），这为实现整体部件的冷却速率监测奠定了基础。