Van Poeder naar Precisie: Infraroodmeet-technologie in 3D Metaal Printing

Met infraroodtemperatuurmeting direct na laserbewerking kan het thermisch gedrag in real-time worden gevisualiseerd. Door thermische beelden tijdens de afkoelfase te analyseren, kan de verwarmingsstrategie dynamisch worden aangepast. Dit stabiliseert de temperatuur van het component laag voor laag en vermindert het aantal defecten tijdens het opbouwproces.

Navigeren door de uitdagingen van temperatuurregeling en kwaliteit in metaal-3D-printen

Het 3D-printen van metalen heeft de afgelopen jaren een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Binnen de verschillende additieve productietechnieken geldt Laser Powder Bed Fusion (LPBF) als een van de meest veelbelovende methoden. Deze technologie, ontwikkeld en gepatenteerd door het Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in 1996, is bijzonder geschikt voor het produceren van complexe geometrieën die met conventionele, subtractieve technieken niet realiseerbaar zijn.

Bij het LPBF-proces wordt metaalpoeder in dunne lagen op een basisplaat aangebracht. Een laserbundel smelt het poeder plaatselijk, waarna het materiaal stolt en een vaste laag vormt. Vervolgens wordt de bouwplaat iets verlaagd en een nieuwe poederlaag aangebracht. Dit proces herhaalt zich laag voor laag, totdat het volledige 3D-component is opgebouwd. Alleen het overtollige poeder hoeft daarna nog te worden verwijderd.

Bij Fraunhofer ILT wordt het LPBF-proces continu verder ontwikkeld binnen verschillende onderzoeksprojecten. Het instituut beschikt over meerdere LPBF-laboratoria en richt zich met name op temperatuurbeheersing, omdat die direct invloed heeft op productkwaliteit. Tijdens het proces bereikt de laser extreem hoge opwarmingsnelheden — tot wel 1 miljoen Kelvin per seconde — waarna het materiaal weer zeer snel afkoelt. Hierdoor ontstaan risico’s op spanningen, krimp, faseveranderingen en structurele defecten zoals scheuren of vervorming.

Om deze effecten te minimaliseren, wordt de basisplaat verwarmd om de temperatuur beter te reguleren. Toch veranderen de parameters continu: de afstand tot de verwarmde plaat neemt toe met elke laag, het poeder geleidt warmte slecht, en de laser introduceert extra energie. Daardoor zijn voortdurende aanpassingen in de verwarmingsstrategie noodzakelijk.

Infraroodmeting en visualisatie tijdens het printproces

Om het temperatuurprofiel beter te beheersen, wordt een Optris PI 640i infraroodcamera gebruikt, met een meetbereik tot 1500 °C.
De camera is buiten de proceskamer geplaatst en observeert via een zinkselenide-venster.

Een belangrijke uitdaging bij infraroodmeting is de lage en variabele emissiviteit van metalen oppervlakken. Metaalpoeders en vaste oppervlakken hebben verschillende emissiviteitswaarden, die bovendien afhankelijk zijn van de oppervlakteruwheid. Dankzij die ruwheid is in dit geval toch voldoende emissie aanwezig voor betrouwbare metingen.

Daarnaast is er optische interferentie met de krachtige laserbron. Gelukkig opereert de laser (1,064 µm) in een ander spectraal bereik dan de langgolvige infraroodcamera, waardoor storingen worden vermeden.

Tijdens de opbouw meet de PI 640i de temperatuur van het component vlak na stolling van het smeltbad. De camerasensor wordt via een digitale interface aangestuurd door de procescontroller en legt thermische beelden vast voordat de volgende poederlaag wordt aangebracht. Zo kan onder meer het afkoelgedrag, de warmteafvoer via het poederbed en de invloed van verschillende procesparameters worden onderzocht. Deze informatie maakt het mogelijk om de verwarmingsinstellingen te optimaliseren en zo defecten te voorkomen.

Eenvoudige analyse van thermografische beelden voor kwaliteitsoptimalisatie

De PI 640i is compact en daardoor eenvoudig boven het venster te monteren.
Met een resolutie van 640 × 480 pixels kunnen zelfs kleine structuren duidelijk worden vastgelegd.

De camera is via USB verbonden met een pc waarop PIX Connect-software draait. Deze software, meegeleverd door Optris, biedt uitgebreide mogelijkheden voor realtime visualisatie, analyse en archivering van thermografische data in een open bestandsformaat. Dit maakt het mogelijk om metingen eenvoudig te evalueren, te delen en op te slaan voor kwaliteitsborging en procesoptimalisatie.

Fraunhofer ILT werkt al meerdere jaren met de Optris PI-serie. Waar vroeger enkel pyrometers één punt tegelijk konden meten, biedt de infraroodcamera een volledig thermisch beeld van het proces — een enorme stap vooruit in inzicht en reproduceerbaarheid.