Bij 3D-metaalprinten met laser powder bed fusion (LPBF) meet je de temperatuur contactloos met infrarood. Voor het kleine, zeer hete smeltbad heb je een snelle sensor nodig die op een korte golflengte meet. Voor de bouwplaat en het afkoelende onderdeel is een infraroodcamera met hoge resolutie geschikt. In deze blog lees je waarom de temperatuur zo bepalend is en hoe je in drie stappen de juiste sensor kiest.
Waarom temperatuurmeting onmisbaar is bij 3D-metaalprinten
Eén aspect bepaalt de kwaliteit van het eindproduct meer dan je misschien verwacht: temperatuurbeheersing. Tijdens het LPBF-proces smelt een laser het metaalpoeder laag voor laag. Een verkeerde temperatuur kan leiden tot interne spanningen, vervorming of zelfs microscheurtjes die het onderdeel onbruikbaar maken.
Om dit te voorkomen meet je de temperatuur contactloos met infrarood. Daarbij zijn er twee meettaken. Het smeltbad is maar enkele tienden van een millimeter groot, extreem heet en beweegt snel met de laser mee. Daarvoor heb je een snelle sensor nodig die op een korte golflengte meet, zoals de PI 08M (0,8µm, 575–1900°C, tot 1000Hz in een kleiner beeldvenster). Voor de temperatuur van het onderdeel en de bouwplaat tussen twee lagen is een camera met hoge resolutie zoals de PI 640i geschikt. Het Fraunhofer-instituut ILT gebruikt die camera op die manier: buiten de bouwkamer, door een venster, om de voorverwarming en het afkoelen bij te sturen.
LPBF en de rol van temperatuurbeheersing
Bij LPBF wordt een dunne laag metaalpoeder aangebracht en met een laser plaatselijk gesmolten. Dit herhaalt zich tot het hele onderdeel is opgebouwd.
De temperatuur in het smeltbad is daarbij cruciaal. Problemen ontstaan wanneer:
- de temperatuur te laag is: het poeder smelt niet volledig, wat leidt tot zwakke hechting tussen de lagen en een poreus eindproduct;
- de temperatuur te hoog is: er kan verdamping of spatvorming optreden, waardoor de chemische samenstelling verandert en de oppervlaktekwaliteit achteruitgaat;
- er temperatuurverschillen in het smeltbad zijn: dat kan leiden tot ongelijkmatige krimp, waardoor het onderdeel interne spanningen opbouwt en mogelijk vervormt.
Om deze problemen te voorkomen, is temperatuurbewaking tijdens het printen essentieel.
Hoe kies je de juiste infraroodsensor?
De juiste sensor voor temperatuurmeting bij 3D-metaalprinten kies je in drie stappen.
Stap 1: pyrometer of infraroodcamera?
Het algemene verschil lees je in pyrometer of warmtebeeldcamera? De eerste keuze is of je:
- één vaste meetplek wilt bewaken: kies dan een pyrometer, zoals de CTi, de CTlaser of, als de emissiviteit onbekend is of verandert, de CTratio;
- een volledig temperatuurbeeld van het onderdeel of de bouwplaat nodig hebt: kies dan een infraroodcamera uit de PI-serie.
Wanneer kies je voor een pyrometer? Een pyrometer is ideaal als je de temperatuur op één vast punt wilt bewaken, bijvoorbeeld de bouwplaat of een vaste plek op het onderdeel. Let op: bij LPBF beweegt het smeltbad met hoge snelheid over het poederbed. Een vast opgestelde pyrometer meet dan de gemiddelde temperatuur van zijn meetvlek, niet het smeltbad zelf. Pyrometers zijn snel, eenvoudig in een productieomgeving te integreren en leveren een analoog signaal aan een PLC. De CTi en de CTlaser reageren vanaf 0,3ms en meten tot 2200°C; de CTratio meet tot 3000°C.
Wanneer kies je voor een infraroodcamera? Een infraroodcamera is de betere keuze als je de temperatuurverdeling over het hele onderdeel of de bouwplaat wilt zien, bijvoorbeeld om warmteophoping in dunne wanden of overhangen te vinden. Dat is belangrijk bij LPBF, waar temperatuurverschillen binnen de laag de hechting en kwaliteit beïnvloeden. Voor het afkoelende onderdeel tussen twee lagen is een camera met hoge resolutie zoals de PI 640i geschikt (640x480 pixels, 8–14µm, standaard -20–900°C, optioneel tot 1500°C). Wil je het smeltproces zelf volgen, kies dan een camera die op een korte golflengte meet, zoals de PI 08M of de PI 1M. Die meten op hete, glanzende metalen betrouwbaarder en halen tot 1000Hz in een kleiner beeldvenster. Alle camera's koppel je direct aan de meegeleverde analysesoftware.
Stap 2: welk materiaal meet je?
Niet elk materiaal reageert hetzelfde op infraroodmeting. Een belangrijke factor is de emissiviteit: de mate waarin een materiaal infraroodstraling uitzendt.
- Metalen met een hoge emissiviteit (zoals geoxideerd staal) zijn relatief eenvoudig te meten.
- Sterk reflecterende metalen (zoals gepolijst aluminium of roestvast staal) zijn lastiger, omdat ze weinig infraroodstraling uitzenden en veel reflecteren.
Oplossing voor materialen met een lage emissiviteit Werk je met een materiaal met een lage emissiviteit, kies dan een sensor die op een kortere golflengte meet. Hoe korter de golflengte, hoe hoger de emissiviteit van het metaal in dat bereik, en hoe nauwkeuriger de meting. Waarom dat zo is, lees je in onze uitleg over infrarood en emissiviteit.
Bijvoorbeeld:
- 0,5µm: gesmolten en zeer hete metalen, vanaf ongeveer 900°C (PI 05M);
- 0,8–1,1µm: hete metalen, zoals bij 3D-metaalprinten (PI 08M, PI 1M, en de CTi en CTlaser in de 1M-uitvoering);
- 1,6µm: metalen bij lagere temperaturen, vanaf ongeveer 250°C (CTi en CTlaser in de 2M-uitvoering, CSmicro, CSlaser);
- ratiopyrometer (CTratio, CSvision): als de emissiviteit onbekend is of tijdens het proces verandert, zoals bij heet aluminium.
Stap 3: welk uitgangssignaal heb je nodig?
Afhankelijk van je proces en besturing heeft de sensor een passend uitgangssignaal nodig. Optris ondersteunt verschillende interfaces, waaronder:
- analoge signalen: 0–10V, 4–20mA, ideaal voor koppeling met PLC's en industriële regelaars;
- digitale communicatie: USB, Ethernet, RS232, RS485, Modbus RTU, handig voor software-integratie en datalogging;
- procesinterface (PIF): speciaal voor infraroodcamera's, waarmee je ze eenvoudig in productielijnen integreert.
Voor eenvoudige procesbewaking is een pyrometer met 4–20mA-uitgang vaak voldoende. Voor geavanceerde procesbeheersing en analyse is een infraroodcamera met digitale uitgang een betere keuze.
De juiste infraroodsensor maakt het verschil
Temperatuurbeheersing is essentieel bij 3D-metaalprinten. Of je nu kiest voor een pyrometer voor puntmetingen of een infraroodcamera voor een compleet beeld: de juiste sensor maakt het verschil tussen een geslaagd printproces en een afgekeurd product.
Wil je weten welke infraroodsensor het beste bij jouw printproces past? Neem contact met ons op, we helpen je graag verder. Wil je eerst testen in je eigen machine? Dan kun je ook een infraroodsensor huren.