采集速度每秒2万帧,比利时研究人员用高像

来源：比利时时间：2022/6/19

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如今，在像飞机和医疗器械这样的高精密机械行业中，使用激光粉末床融合（L-PBF）技术制造金属零件变得愈加普遍。L-PBF允许直接从CAD模型生成非常复杂的几何形状。然而由于层工艺的性质，诸如孔隙率之类的缺陷会在组件生产过程中显现出来。为了满足严格的安全认证要求，比利时洛默尔制造科学中心FlandersMake的研究人员通过将MikrotronEoSens3CL三百万像素相机加入材料加工过程，以更好地了解增材制造过程中熔池的表现和稳定性。L-PBF是一种增材制造形式，使用激光将金属粉末熔化并融合在一起以制造功能性组件。金属粉末散布在构建层上，厚度一般是0.1mm，逐层制造直到达到所需的组件尺寸。从本质上讲，L-PBF是许多单独堆叠的焊缝组合，重叠和熔深深度决定了最终零件的密度和质量。任何缺陷的出现都会导致机械性能发生改变，从而加快零件报废的速度。对于缺陷问题，工程师过去采取既耗时又成本低效的后期生产质量控制技术，例如使用X射线计算机断层扫描以确保最终组件符合规格。FlandersMake的研究人员试图为昂贵的熔池深度、宽度估计方法，创造另一种经济可行的替代方案。FlandersMake研究团队采用的成像系统主要是Mikrotron相机和大面积硅光电二极管传感器。传感器可以在nm-nm范围内实现带通过滤，以防止任何环境光和激光干扰测量。该系统是使用基于FPGA的定制图像采集卡构建，该图像采集卡与光纤耦合网络连接存储相连。该网络连接存储配备了具备RAID0的4块1TB固态磁盘，可实现高达1GB/s的可持续数据传输速率和4TB的总容量。MikrotronEoSens3CL相机接口是“完整”配置的CameraLink，数据传输速率高达MB/s。在平衡光线、分辨率和帧速率后，研究人员将相机的采集速度设置为每秒2万帧。捕获的图像为8位灰度图像，尺寸为×像素。校准后的像素大小是11.8μm，从而实现×μm的视域。由于熔池尾部发生飞溅或破裂，一帧可能包含多个对象，因此图像处理的第一步是过滤掉熔池轮廓。对此，研究人员通过结合使用Sobel滤波器的边缘检测和激光的相对位置来完成。研究人员在系统测试中发现，测得的熔池宽度和预测深度与加工参数范围内的金相测量结果相符。这种非破坏性测试确定熔池尺寸的能力非常有用，尤其在快速确定合适的加工参数窗口方面。在配备NVIDEAQUADROM计算机上，处理所有数据和生成图像过程所需的时间不到5分钟。5分钟之内大约有2分钟是用于图像处理，平均每帧图像的处理时间约为0.5毫秒。与使用标准技术生成处理图像相比，这种方法的处理时间几乎可以忽略不计。FlandersMake团队采用的方法，为使用L-PBF生产出应用于高端行业的严格质量和可重复性标准零件提供了切实可行的解决方案。随着进一步的改进，研究人员相信这种图像成形方法可以应用到其他增材制造或者是传统材料加工技术，如电子束、激光和电子束焊接/切割等。