金属增材制造过程的高速红外成像检测

材制造（又称3D打印）被业内视作继互联网之后的又一重大的工业变革技术。该工艺可快速制备不同成分、外形与尺寸的金属构件，但成形过程中极强的温度梯度会在材料内部产生应力与形变。

为更清晰地观测、解析热传导行为，魁北克工业研究中心（CRIQ）采用Exosens FAST M2KUDx红外相机，以2800帧/秒（fps）的高速采集不锈钢直接金属激光烧结（DMLS）全过程红外图像。试验结果证实，高速红外成像能够完整捕捉增材制造金属件内部的热传递细节。

EXOSENS FAST M2K高速红外相机

直接金属激光烧结（DMLS）依靠高能激光逐层熔化金属粉末成型，工艺存在多重测温痛点：

1. 热场复杂多变：激光高速扫描（最高7m/s）、零件厚薄不均、边缘效应、多层累积热量，不同位置温升、散热规律差异巨大，极易产生未熔合、翘曲缺陷；

2. 传统测温手段局限性强：

·热电偶：仅能测基板温度，无法捕捉打印层内部实时温度；

·单点高温计：缺少空间成像能力，看不到全域温度分布；

·普通红外热像仪（50Hz）：帧率过低，激光毫秒级扫描动作会丢失关键温度峰值，无法区分连续两道激光的热信号；

3. 工况观测壁垒：打印需惰性气氛保护，常规石英观测窗不透中红外光，很难实现内部实时成像。

增材制造红外成像试验装置与FAST M2k相机实拍红外热成像图

1. 核心观测设备：Exosens FAST M2KUDx高速红外相机

·探测器：320×256像素锑化铟（InSb），中波红外3–5.5μm波段；

·采集性能：截取局部像素实现2800帧/秒超高速采集，内置多档位滤光片轮；

·光路优化：替换2mm厚蓝宝石观测窗，搭配45°镀金反射镜，解决中红外透光难题。

2. 打印试样与工艺参数

·设备：EOS-M290 DMLS金属打印机，400W镱光纤激光器；

·材料：316L不锈钢，单层铺粉厚度40μm；

·工艺：锚固底座功率290W、网格扫描功率100W，激光扫描速度675mm/s，基板恒温150℃；

·观测对象：雨伞支架支撑结构（实心锚固底座+细密网格+轮廓封边）。

(A) 雨伞支架打印布局；(B) 打印实心锚固底座；(C)(D) 打印金属网格；(E) 轮廓边缘烧结

研究选取零件5处典型特征点位，完整记录打印全周期温度变化，清晰揭示结构形态对热累积的影响：

1. 实心锚固底座（A点）：热量高度集中、长时间持续放热

底座一次性大功率激光熔融，瞬间高温让探测器饱和350ms；后续网格打印时，每60~80ms就会出现热量脉冲，厚实体持续储存热量，散热速度远慢于薄壁网格。

2. 拐角窄结构（B/E点）：存在热量传导叠加效应

邻近锚固底座会持续向窄薄壁传导余热，形成基础温升；靠近零件边缘散热路径短，激光扫描产生的温度峰值明显低于网格中心，轮廓封边阶段会出现瞬时高温饱和。

3. 网格中心（C点）：激光反复扫描，热脉冲密集

网格区域激光来回扫描，温度尖峰随激光靠近持续升高、远离后逐步衰减；激光溅射的高温金属颗粒会产生无规律瞬时热点，是孔隙缺陷的重要诱因；远离零件边缘，轮廓烧结几乎无温升干扰。

4. 圆形薄壁段（D/E点）：超高帧率是分辨热信号的关键

零件内外轮廓分两次激光烧结，两道工序间隔仅40~70ms。50Hz普通热像仪完全无法区分两组温升峰，2800fps高速相机才能清晰分离两次烧结的温度曲线，精准捕捉毫秒级热变化。

A–E 五点打印全过程温度变化曲线

1. 提前预判缺陷：实时捕捉热累积、局部过热、飞溅颗粒等异常，在打印早期识别缺陷，大幅减少粉末、工时浪费；

2. 指导工艺优化：根据不同结构的热演化规律，针对性调整激光功率、扫描速度、扫描路径，降低残余应力与零件变形；

3. 完善热处理方案：完整记录零件全流程热历史，精准匹配后续去应力退火等热处理工艺；

4. 适配极限打印工况：DMLS激光最高扫描速度可达7m/s，只有千帧级高速红外相机，才能完整还原高速扫描下的瞬态热场。

金属增材制造的缺陷根源大多藏在看不见的热传递过程中，传统测温设备只能获取碎片化温度数据。以Exosens FAST M2KUDx为代表的高速中波红外成像系统，兼顾超高帧率与高空间分辨率，既能捕捉宏观全域温度分布，又能分辨毫秒级瞬态熔池热信号。

这套监测方案可广泛用于不锈钢、钛合金等金属粉末床打印工艺研发、在线质量检测，为优化零件设计、迭代打印策略、抑制残余应力变形提供可视化、量化的数据支撑，是推动金属3D打印走向高精度、规模化生产的关键表征工具。