航空航天領(lǐng)域電子束增材制造 (EBAM) 溫度場(chǎng)測(cè)量與監(jiān)測(cè)

引言 

隨著增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing, AM）在航空航天等高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，精確的溫度控制成為了確保零件質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素。在NASA馬歇爾太空飛行中心（MSFC）進(jìn)行的電子束增材制造（EBAM）過(guò)程中，精確的溫度測(cè)量是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@直接影響到構(gòu)建材料的物理性質(zhì)和最終產(chǎn)品的性能。為了實(shí)現(xiàn)高精度的溫度監(jiān)控，采用了LumaSense MCS640近紅外熱像儀，結(jié)合先進(jìn)的鏡頭配置，通過(guò)S12 EBAM系統(tǒng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

 設(shè)備與系統(tǒng)配置 

EBAM系統(tǒng)是一款用于金屬材料增材制造的設(shè)備，在NASA的應(yīng)用中用于測(cè)試和驗(yàn)證增材制造工藝。該系統(tǒng)配備了一個(gè)127毫米直徑的視窗，通過(guò)該視窗可以進(jìn)行溫度測(cè)量和圖像采集。視窗由鉛玻璃和高強(qiáng)度真空玻璃構(gòu)成，這些玻璃材質(zhì)在特定波長(zhǎng)下會(huì)影響輻射的傳輸，因此，選擇合適的測(cè)量工具和系統(tǒng)至關(guān)重要。

為了捕捉高精度的溫度數(shù)據(jù)，采用了LumaSense MCS640熱像儀。該熱像儀的光譜范圍為780nm至1080nm（上海明策電子），具有640×480的非冷卻焦平面陣列（FPA）傳感器，最大幀率為60Hz。它能夠檢測(cè)溫度范圍從600°C到3000°C，適應(yīng)不同的工作條件和溫度需求。該相機(jī)的校準(zhǔn)范圍包括三個(gè)不同的溫度區(qū)間，分別針對(duì)不同的鏡頭配置。

鏡頭選擇與校準(zhǔn) 

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，選擇了兩種不同焦距的鏡頭來(lái)進(jìn)行溫度圖像的捕獲。 

- 鏡頭A的工作距離為500mm，適用于較大視場(chǎng)的圖像采集，其視場(chǎng)為31mm×23mm，空間分辨率為48µm，能夠有效地捕捉較大區(qū)域的溫度變化。

- 鏡頭B則是一款近焦鏡頭，工作距離為350mm，視場(chǎng)為5.3mm×4.0mm，空間分辨率為8.3µm，能夠提供更精細(xì)的圖像解析度，適用于更小區(qū)域的高精度測(cè)量。

為了確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，鏡頭A和鏡頭B在三個(gè)不同的溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行了校準(zhǔn)。這些校準(zhǔn)工作在不同的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，溫度范圍為： 

- 對(duì)于鏡頭A：650°C - 900°C，850°C - 1250°C，1100°C - 1800°C 

- 對(duì)于鏡頭B：750°C - 1100°C，915°C - 1400°C，1320°C - 2300°C

特別是鏡頭B的校準(zhǔn)工作，還考慮了視窗玻璃對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊懀M(jìn)行了有無(wú)玻璃的測(cè)試，最終確定了透過(guò)率為0.54。這一校準(zhǔn)過(guò)程確保了在真實(shí)測(cè)試環(huán)境下，所捕捉到的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

熱像儀集成與數(shù)據(jù)采集 

為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和采集效率，熱像儀通過(guò)千兆以太網(wǎng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至筆記本電腦進(jìn)行分析。該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)電纜和一個(gè)千兆以太網(wǎng)Express卡，確保了大數(shù)據(jù)量下的穩(wěn)定傳輸和高速處理。

在圖像采集過(guò)程中，系統(tǒng)的集成時(shí)間根據(jù)不同溫度范圍進(jìn)行了調(diào)整： 

- 溫度范圍1（低溫）：16.25毫秒 

- 溫度范圍2（中溫）：1.7毫秒 

- 溫度范圍3（高溫）：50微秒

這些不同的集成時(shí)間設(shè)置確保了熱像儀可以在不同的工作條件下精確捕捉到所需的溫度數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境與視角設(shè)置 

實(shí)驗(yàn)中的熱像儀安裝在穩(wěn)定的三腳架上，鏡頭被設(shè)置在靠近玻璃窗的位置，確保能夠精準(zhǔn)地對(duì)準(zhǔn)增材制造過(guò)程中構(gòu)建板區(qū)域。通過(guò)對(duì)圖1和圖2中的示意圖的分析，熱像儀的垂直傾斜角度大約為55°，且未進(jìn)行水平偏航或翻滾調(diào)整。該設(shè)置確保了熱像儀可以準(zhǔn)確地捕捉到構(gòu)建過(guò)程中溫度分布的變化。

在NASA馬歇爾太空飛行中心的EBAM增材制造實(shí)驗(yàn)中，采用的熱像儀系統(tǒng)結(jié)合了先進(jìn)的鏡頭選擇與精準(zhǔn)的校準(zhǔn)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了高精度的溫度測(cè)量。這一系統(tǒng)不僅能夠提供不同溫度區(qū)間的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，還能夠有效補(bǔ)償視窗玻璃對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊懀ＷC了測(cè)量結(jié)果的可靠性。隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，類(lèi)似的溫度監(jiān)控系統(tǒng)將對(duì)改進(jìn)制造工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量及優(yōu)化生產(chǎn)流程發(fā)揮重要作用。

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