Infraroodcamera in een 3D-metaalprinter: wat een praktijktest leerde

Wil je tijdens het printen zien waar je printbed te warm wordt of ongelijk afkoelt? Dat is belangrijk, want warmte die zich ergens ophoopt geeft spanningen, vervorming of slechte hechting, en dat zie je meestal pas als de print klaar is. Een vaste infraroodcamera boven het bed laat het zien terwijl je print. Hij meet zonder contact, dus zonder sensor in het poeder of het onderdeel, en hij ziet het hele bed tegelijk in plaats van één punt zoals een pyrometer.

In een 3D-metaalprinter is dat lastiger dan het klinkt. De bouwkamer kan warmer worden dan een compacte camera aankan, en dan heb je koeling nodig. En omdat er weinig ruimte is, hangt de camera meestal schuin in een hoek, en die plek bepaalt welke lens je nodig hebt en hoeveel detail je op het bed nog ziet. Hieronder lees je hoe je de lens, de koeling en de camera kiest, met de uitkomsten van een praktijktest bij een Nederlands bedrijf dat 3D-metaalprinters verkoopt en onderhoudt.

Welke lens heb je nodig?

Een infraroodcamera meet niet één temperatuur, maar een raster van kleine vlakjes (de pixels). Elke pixel geeft de gemiddelde temperatuur van het stukje bed dat hij ziet. Hoe breder de lens, hoe meer bed je in beeld hebt, maar hoe groter elke pixel wordt. Dat is belangrijk, want een infraroodcamera heeft een minimaal aantal pixels nodig voor een betrouwbare meting, meestal 3x3 en soms 2x2. Is een heet plekje kleiner, dan wordt het uitgemiddeld met de koudere omgeving, en dan meet je te laag.

Kijkt de camera vanuit een hoek schuin over het bed, dan speelt er nog iets: aan de verre kant worden de pixels groter, en glanzend metaal weerkaatst daar meer warmte uit de omgeving. Reken daarom vooraf uit welk beeldveld je vanaf de plek van de camera nodig hebt, en hoe groot één pixel dan op het verste punt van het bed wordt (meer over meetvlek en meetafstand).

Vanuit de praktijk: het printbed was 35x35cm, en de enige plek voor de camera was rechtsvoor in de hoek, ongeveer 40cm boven het bed. Vanaf die plek kijkt de camera bijna recht naar beneden op de hoek onder hem, en schuin naar de hoek die het verst weg ligt, op ongeveer 64cm afstand. Om het hele bed te zien, moet hij daardoor ongeveer 56° in de breedte en 51° in de diepte overzien. Een gewone lens van rond de 50° is dan te smal, dus alleen een groothoeklens van rond de 80° krijgt het hele bed in beeld.

Voor deze klant was de keuze daarom tussen de Xi 80 en de Xi 400. Allebei zijn ze compact genoeg voor in de printer en leverbaar met een lens van rond de 80°. Het verschil zit in het aantal pixels, en dat bepaalt hoe klein een plek mag zijn die je nog betrouwbaar meet:

Met de Xi 80 zie je dus goed of een groot deel van het bed te warm wordt, maar een hete plek van een paar millimeter, zoals in een dunne wand, valt in de verre hoek weg. De Xi 400 meet daar plekken vanaf ongeveer 8mm.

Twijfel je welke lens bij jouw printer past? Stuur ons de maten van het bed en de plek voor de camera, dan rekenen we het voor je uit.

Hoe houd je de camera koel?

De compacte Xi-camera's zijn gemaakt voor een omgeving van 0 tot 50°C. Dat is belangrijk, want daarbuiten kloppen de meetwaarden niet meer en loopt de elektronica schade op. Meet daarom vooraf goed hoe warm het wordt op de plek waar de camera komt te hangen, terwijl de printer draait. Wordt het warmer dan 50°C, dan raden we een koeling aan.

Optris heeft daarvoor een watergekoelde behuizing waarmee de camera ook in een veel hetere omgeving werkt. Water voert veel meer warmte af dan lucht. Zo'n koeling werkt alleen goed als je deze dingen regelt:

• Ruimte in de printer voor de behuizing en de slangen. Meet dit vooraf, want een behuizing is groter dan de camera zelf.
• Een vaste aanvoer van koelwater met een constante doorstroming. Staat het water stil, dan warmt het op en koelt het niet meer.
• Koelwater dat minstens 10°C kouder is dan de camera, anders voert het te weinig warmte af. Maar ook niet te koud: koelt de behuizing onder het dauwpunt, dan slaat er vocht neer op de lens en in de camera.
• Een schone lens. Poeder en dampen houden een deel van de infraroodstraling tegen, en dan meet de camera te laag. Een air purge (een ring die schone lucht langs de lens blaast) houdt de lens schoon.

Vanuit de praktijk: in deze printer was zo weinig ruimte dat de behuizing van Optris niet paste. Het bedrijf heeft daarom zelf een compacte waterkoeling ontwikkeld. Dat werkt, de camera blijft vanbinnen net onder de 60°C, maar het is maatwerk en kostte maanden ontwikkeltijd. Zoals de klant schreef: "We kunnen de camera pas echt goed afstellen als hij niet overhit raakt." Kijk daarom eerst of er ruimte is voor de standaardbehuizing, voordat je een camera kiest.

Welke camera kies je: Xi 80, Xi 400 of Xi 640?

Dat hangt af van wat je wilt zien. Het aantal pixels bepaalt hoe klein een plek mag zijn die je nog betrouwbaar meet, en dus ook wat je op het bed kunt volgen. Bepaal daarom eerst wat je wilt weten: alleen of het bed gelijkmatig opwarmt, of ook wat er in een onderdeel gebeurt.

• Wil je weten of het bed gelijkmatig opwarmt en waar het te heet wordt, dan is de Xi 80 (vanaf €940) vaak genoeg. Hij spoort zelf het heetste punt op en heeft een analoge uitgang die je op een besturing aansluit. Je hebt dan geen pc nodig om een alarm te geven als het bed te warm wordt.
• Wil je onderdelen of dunne wanden volgen, dan heb je meer pixels nodig. De Xi 400 (vanaf €1.950) ziet met dezelfde lens bijna vijf keer zo fijn. Je sluit hem aan op een pc met de meegeleverde software, zodat je per laag beelden kunt bekijken en opslaan.
• Wil je nog meer detail, dan heeft de Xi 640 (vanaf €5.800) 640x480 pixels. Zijn breedste lens is 65°x45°, dus vanuit een hoek dicht boven het bed krijg je niet alles in beeld. Hij moet dan iets hoger of verder van het bed hangen.

Rust je meerdere printers uit en wil je de beelden via het netwerk binnenhalen, dan is er ook de Xi 410 met een Ethernet-aansluiting.

Vanuit de praktijk: de klant wilde eerst klein beginnen en koos daarom voor de Xi 80, de goedkoopste van de drie. Die zit nu met de koeling in de printer en werkt, maar na een paar maanden was hun conclusie: "Ik merk wel dat deze camera net een wat lage resolutie heeft." Met pixels van ruim een centimeter in de verre hoek zien ze wel waar het bed warm wordt, maar niet wat er in een onderdeel gebeurt. Ze overwegen daarom om later over te stappen op een camera met meer pixels. Twijfel je zelf tussen goedkoop beginnen en meteen meer detail? Bepaal dan eerst welke plek je minimaal wilt kunnen meten, en kies de camera daarop.

Hoe test je het vooraf?

Een berekening vertelt je welke lens en camera zouden moeten werken, maar elke printer is anders. Hoe warm het op de plek van de camera wordt, of het beeld in de hoeken scherp genoeg is en of de laser of de wanden warmte terugkaatsen naar de camera, zie je pas in je eigen machine. Dat is belangrijk, want een verkeerde keuze maak je niet één keer: rust je meerdere printers uit, dan maak je hem in elke printer opnieuw.

Test daarom eerst met één camera, tijdens een echte print. Meet in die test hoe warm het wordt op de plek van de camera, kijk of het hele bed in beeld is, en controleer of je de plekken die je wilt volgen in de verre hoek nog betrouwbaar ziet. De Xi 400 en de Xi 80 kun je daarvoor bij ons huren.

Vanuit de praktijk: de klant testte eerst een aantal weken met een geleende Xi 400 in één printer. Daardoor bleek al vóór een bestelling dat de camera koeling nodig had en dat alleen een groothoeklens het hele bed in beeld kreeg. Zonder die test was het warmteprobleem pas na de installatie in de printers aan het licht gekomen. Zo'n Xi 400 kun je ook bij ons huren, om hetzelfde in je eigen printer te testen.

Meer over pyrometers en camera's bij metaalprinten lees je in temperatuur meten bij 3D-metaalprinten. Twijfel je welke camera bij jouw printer past? Neem contact met ons op, dan denken we graag met je mee.