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【應用探析】高速攝像機在激光3D打印及表面處理研究中的應用
隨著激光3D打印以及高速攝像技術的蓬勃發展，針對激光熔融沉積成形及表面控性的研究成為熱點，在航空航天領域具有重要的應用價值（如圖1所示），可幫助實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、致密凈成形，是航天領域、高精尖復雜零部件研制的技術路徑，有助于規模化、產業化應用。
（圖1）多路送粉式激光3D打印航空發動機葉片
對復雜合金的激光熔融沉積和表面重熔機理研究與應用可明顯優化3D打印零件的機械性能。高速攝像技術在此過程中可助力實時捕捉液態金屬熔池形貌及jing確調控的表面完整性。液態熔池的形成與凝固標志著金屬材料形態及性能的轉變，在高能激光束的照射作用下，匯聚于光斑處的球形金屬粉末顆粒迅速熔化形成了液態熔池，隨著激光束的快速移動，熔池迅速凝固后便形成了打印層。熔池的形成過程雖短暫，卻包含豐富的物理化學規律，不同打印工藝參數下零件的機械性能和表面質量也各不相同（圖2所示）。
（圖2） 激光熔融沉積成形表面（左）及激光重熔后的表面（右）
激光重熔技術作為激光3D打印成形件表面處理改性的一種重要手段，可有效提高零件表面質量和成形組織的致密度。但如何將激光熔融沉積和重熔工藝進行有效結合，揭示混合工藝下的材料組織和力學性能的變化規律仍然鮮有研究和報道。因此，東北大學*制造及其自動化技術研究所辛博老師及其科研團隊對其進行了一系列實驗探析深層機理。
研究重點關注了激光重熔處理對熔覆層金屬組織和力學性能（包括氣孔、硬度和拉伸性能）的影響機理。在熔覆層孔隙率分析的基礎上，通過優化激光重熔功率，并利用COMSOL有限元仿真軟件進行溫度場分析，實現激光3D打印性能分析和激光重熔工藝的優化。圖3為拍攝激光熔融沉積和重熔工藝下的液態金屬熔池形成過程實驗（采用千眼狼5KF20高速攝像機拍攝，1920×1080@3000 fps）。可以看出實際形成的熔池的邊界線與COMSOL溫度場仿真獲得的316L不銹鋼合金液相溫度線高度吻合。
（圖3 ）激光熔融沉積（左）和激光重熔（右）下的液態熔池拍攝圖像及其溫度場仿真
除研究液態金屬熔池形貌這一局部現象外，在激光3D打印前的金屬粉末顆粒實時輸送和混合過程中，高速攝像技術亦有重要應用價值。在實際應用時，金屬粉粒能否準確、均勻地匯聚在高能激光束的光斑中心位置將直接決定熔覆層的表面質量，所以研究載氣驅動下的金屬粉末流動軌跡就顯得尤為重要，而這一切的前提是對高速流動粉粒的jing確捕捉，需要3000 fps以上的高頻圖像采集與快速傳輸。因此，高速攝像機憑借超高的時空分辨率及圖像傳輸速度，將成為激光3D打印及表面處理領域內的科研人員實驗裝置中*的一環。
作者| 東北大學 辛博