[ Ophir ] 傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
[ Ophir ] 傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
文章來源:https://www.ophiropt.com/laser--measurement/knowledge-center/article/11292
作者:MKS Ophir 市場高級經理 Kevin Kirkham
宏惠光電是 MKS Ophir 代理商
#傳感器
傳感器：“檢測或測量物理特性並記錄、指示或以其他方式響應的設備。” 傳感器是一種檢測物理量並通過傳輸信號做出響應的裝置。
融合：“將兩個或多個事物結合在一起形成一個實體的過程或結果。” 材料或信息的混合、合併、連接、結合、結合、合併、融合或合成，以實現大於其部分的總和。在這種情況下，來自各種傳感器的數據被融合在一起，以更全面地了解雷射啟用的過程。
新的雷射工藝，例如使用雷射粉末床熔化 (LBPF) 的增材製造 (AM) 技術，需要將一致的能量傳遞到要轉化的金屬粉末材料。成功的結果需要雷射束的功率密度分佈，因為它被傳送到焊接平面，是對稱的、均勻的和穩定的。AM 雷射應用要求光束點尺寸和強度保持在有限的接受窗口內。在大多數情況下，必須測量雷射參數以確保滿足一致、穩定和正確的雷射功率密度或輻照度的要求。
但正如伊卡洛斯被警告不要飛得太低，以免海水的潮濕損壞他的翅膀，也不要飛得太高，因為太陽會熔化固定形成他翅膀的羽毛的蠟，3D 雷射打印應用必須監控功率密度所呈現的雷射束的功率密度對於成功構建來說既不太“熱”也不太“冷”。
我們如何知道雷射器準確地傳送了所需的光束？大多數商用雷射功率/能量測量產品都為傳感器和傳感器接口或儀表提供校準的可追溯性。總部位於美國的國家標準與技術研究院(NIST) 和總部位於德國的Physicalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) 提供雷射功率傳感器校準服務。這些政府組織將他們的校準追溯到基於量熱測量的標準。¹
功率和能量傳感器的可追溯性和不確定性預算Ophir
提供典型雷射功率和能量校準誤差的詳細描述。本文討論了波長、線性度和均勻性等關鍵因素，以及這些因素如何影響傳感器精度不確定性以及如何最大限度地減少雷射強度測量誤差。
測量一些關鍵 AM 雷射參數的商用產品包括雷射功率計、雷射束分析系統，以及將這兩種技術結合到一個測量工具中的產品。
經典的光束校對工具使用 CCD 和 CMOS 矽陣列傳感器來生成雷射束橫截面能量分佈的定量二維圖像。這些系統提供光束大小、光束位置（質心）以及能量在聚焦點內的分佈方式（光束輪廓或模式）的精確測量。
這種基於相機的測量系統提供了雷射輸出的空間精確強度圖。通過測量總雷射功率或能量，並將該強度測量值與同一光束的光束輪廓相關聯，可以得到雷射束的準確橫截面功率密度圖。
基於相機的光束分析系統的絕對精度受探測器線性度、空間均勻性、調製傳遞函數 (MTF) 或成像系統的空間採樣頻率（如果有）以及時間分辨率（時間採樣頻率）的限制。掃描狹縫式測量裝置也常被 LPBF 系統製造商和用戶用來測量高功率 (>1MW/cm²) 聚焦雷射器的橫截面能量分佈。
Beam Profiler Traceability
目前，NIST 和 PTB 均不提供光束輪廓測量設備的校準服務。雷射束尺寸是目前唯一無法追踪測量結果的 AM 變量。傳輸束腰的尺寸和位置，或光斑尺寸最小的位置。會嚴重影響成功的構建結果，因為傳遞到粉末床的光束輻照度的任何變化都會對構建質量產生負面影響。
大多數光束輪廓傳感器可用於幫助創建有意義的工作雷射束輻照度圖，也就是說，如果可以獲得光束的高保真樣本並且可以測量光束的功率/能量。並非所有聚焦光束都是相似的。一些光束聚焦到非常乾淨的高斯分佈，而其他聚焦光束將光纖的頂帽或均勻橫截面分佈圖像傳遞到工作表面。一些 LPBF 系統設計用於在系統的焊接平面或功率位置提供均勻分佈或平頂分佈。束腰可以隨著光束傳輸光學器件和保護蓋玻璃老化、吸收雷射輻射和加熱而移動，從而改變它們的光學特性。如果不密切監測，所提供的輻照度的變化很容易使構建質量面臨風險。
了解聚焦的工作光束內的能量分佈可能是成功與失敗的區別。超過操作輻照度閾值的光束將起作用，但可能會過度烹飪材料。雖然不超過工作輻照度配方的光束區域可能會因待改性材料的不完全燒結而損害工藝。²
功率密度超過工作標準的任何區域都可能損壞材料或導致結構薄弱。
傳輸光束的不當輻照度可能會導致層的連接不完整，這可能會給構建帶來弱點甚至空隙。
最小有效輻照度與導致構建損壞的輻照度或不足以將新層粘合到先前構建結構的輻照度之間的功率密度範圍是增材製造系統的操作範圍。必須測量雷射束輻照度曲線，以確保過程穩健並避免降低構建質量。
雷射束輪廓和光功率分析
雷射束輪廓分析產品已經過改進，用於分析 SLS/SLM（選擇性雷射燒結/熔化）雷射器。應用光束的一致性應提供構建質量的穩定性，因為昨天成功的相同光束參數今天會產生相同的結果。進行這些測量的挑戰包括但不限於：
AM 工作雷射束的非常高的功率密度。大於 2MW/cm² 的功率密度是典型的。
傳輸光束的快速變化需要足以捕獲這些變化的測量更新率。測量週期時間必須為 10 毫秒或更短。否則，可能會錯過所傳送雷射特性的細微變化。
動力床打印環境也可能帶來環境挑戰，例如光學元件的粉末污染、不相容的吹掃氣體或高溫構建環境。
瑞利散射的作用
創新技術正被用於解決了解雷射性能的挑戰，因為它會影響增材製造工藝。瑞利散射是一種新方法，用於在不以任何方式與傳輸的雷射能量相互作用或改變傳輸的雷射能量的情況下對聚焦光束進行成像。對於Ophir BeamWatch非接觸式光束分析系統，瑞利散射允許以每秒最多五次的速度測量光束（焦散）的聚焦區域。這使增材製造商能夠測量傳輸光束的焦點偏移以及焊接平面焦點偏移引起的亮度變化 (W/cm²)。傳輸光學器件的污染或老化導致它們熱化或吸收熱量，從而改變它們的光學特性。
傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
圖 1. Ophir BeamWatch® 非接觸式光束分析系統使用瑞利散射來測量高功率雷射器。
BeamWatch 系統允許實時測量雷射器的 M2（光束傳播比）、K (1/M2) 和 BPP（光束參數乘積）。這些測量定義了雷射對手頭任務的適用性。
傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
圖 2. 雷射功率圖表，3-4 BeamWatch 2D 焦點偏移圖表，焊接平面處的功率密度圖表。
BeamWatch 應用程序的三個屏幕截圖顯示傳送到焊接平面的光束功率密度的漸進變化。隨著焦平面向傳輸光學器件移動，焊接平面的功率密度從 13.5MW/cm² 降低到低於 4MW/cm²。呈現給粉末的雷射輻照度的這種變化會在構建的這一部分導致災難性的質量問題。
基於相機的光束分析 基於
相機的光束分析系統與功率計相結合，以提供實時光束分佈測量，這些測量通過功率測量“校準”以創建交付給工作的工作點的功率密度圖飛機。
傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
圖 3. 用於增材製造應用的 Ophir BeamPeek®™ 系統測量雷射在構建平面上的焦斑尺寸、功率和功率密度。
科學級 CCD 和 CMOS 相機傳感器的空間分辨率是有限的，形成了可測量光斑尺寸的下限。至少需要 10 個像素才能獲得有意義的光束寬度測量值。⁴
光束分析相機系統通常提供從 3.75um 到 10um 的像素間距。光束輪廓傳感器的有效區域應至少為被測光束 1/e² 寬度的 2-3 倍。目前可用的傳感器提供從 6.5 x 5mm 到超過 24 x 24mm² 的有效區域。
小心使用適合雷射波長的正確光束輪廓傳感器。基於矽傳感器的相機在 200 至 1100 納米範圍內工作。由於矽在近紅外區相對不敏感，一些相機傳感器可能不適用於 1070 – 1080 納米光纖雷射器的較長波長。某些 2D 圖像傳感器可能會扭曲測量的雷射束。光暈和拖尾是 NIR 雷射束測量失真的一些更常見的來源。
當功率密度超過 1MW/cm² 時，必須非常小心才能準確測量工作雷射束。髒污或損壞的光學器件會嚴重扭曲光束輪廓，還可能導致功率/能量測量出現誤差。高功率雷射傳感器預計可承受 10kW/cm² 的功率密度而不會損壞，因此盡可能保持這些傳感器的光學表面清潔非常重要。污垢和碎屑會降低這些產品的使用壽命和精度。有時可能需要強制吹氣或用蒸餾水仔細清潔。始終遵循製造商的說明。
將功率測量與光束輪廓相結合將
雷射束的總集成功率測量與時間相關的光束輪廓測量相結合，可以為成功構建獲取功率密度圖，這些圖可以存檔並與後續輪廓進行比較。大多數光束分析系統都提供為所有對成功構建至關重要的雷射性能參數建立通過/失敗窗口的功能。通過測量粉末並獲得與粉末相互作用的光束的功率密度圖，可以對工藝的優劣性做出明智的評估。歷史性能的任何變化都可以與已知的增材製造規范進行比較。
通過將光束輪廓圖像與傳送到粉末床的總功率測量值相結合，可以了解雷射束能量密度輪廓的完整表示。通過每 20 毫秒獲取一系列光束輪廓，從冷啟動開始，可以觀察到光束傳輸光學器件的熱均衡效果。正如您在圖 4 中看到的那樣，隨著傳輸系統加熱，光束會稍微擴散。從計算出的光束內的峰值和平均功率中可以清楚地看出光束輕微放大的後果。
傳感器融合可對增材製造中的雷射加工進行綜合分析
圖 4. 隨時間傳遞到粉末床的總功率的光束輪廓測量值。
大多數粉末床機器都使用保護窗，以在構建室與雷射和傳輸光學器件之間提供屏障。來自除氣的冷凝物聚集在這些窗口上，並且隨著時間的推移部分地遮擋了傳送的光束，導致較低的功率和傳送的聚焦點變寬。這兩種變化都減少了過程可用的能量。這可能導致不完全形成的結構具有不一致的機械性能。
結論
採用多個傳感器的混合系統提供了對雷射驅動增材製造工藝的有意義的洞察。雷射功率/能量數據與雷射束尺寸和輪廓相結合，提供了對金屬粉末床熔合過程的無與倫比的理解。雷射束在工作平面上的強度校準光束輪廓有助於建立工藝規範。當雷射參數超出既定性能標準時，通過/未通過測試可以提醒 AM 系統操作員。
參考
Igor Vayshenker、Xiaoyu Li、David J. Livigni、Thomas R. Scott 和 Christopher L. Cromer。（2000）。NIST 的光纖功率計校準，NIST 特別出版物 250-54，
JP Oliveira、AD LaLonde 和 J. Ma。（2020）。雷射粉末床熔融金屬增材製造中的工藝參數。材料與設計。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520302963
FH Kim、H. Yeung 和 EJ Garboczi。(2021)。通過原位熔池監測和 X 射線計算機斷層掃描的聯合分析，表徵雷射粉末床熔合中的雷射控制對近表面孔隙形成的影響。添加劑製造。
波束寬度測量精度。https://www.ophiropt.com/laser--measurement/knowledge-center/article/8117
使用 BeamGage 進行基於相機的光束分析。https://www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/Beam-Profiling/Camera-Profiling-with-BeamGage