阿伦大学激光应用中心（LAZ）利用IDS工业相机开展金属3D打印（PBF-LB/M）过程监测研究，通过高速摄像与高分辨率成像分析飞溅、烟雾及粉末层缺陷，实现早期缺陷检测与参数优化。研究团队成功制造出FeSi6.5软磁合金部件，提升电机性能并突破传统工艺瓶颈。该项目结合激光材料加工、增材制造与人工智能，为航空航天、汽车、医疗等行业提供更高质量、更可持续的增材制造解决方案。
德国阿伦大学激光应用中心（LAZ）的研究人员正在改进基于粉末床的金属激光熔融（PBF-LB/M）工艺监测，这是一项用于生产复杂、高性能金属零部件的核心增材制造技术。研究团队使用来自 IDS Imaging Development Systems 的高速和高分辨率相机，对熔融过程的动态和静态方面进行分析，从而能够及早发现缺陷并优化制造参数。
PBF-LB/M 技术通过激光逐层构建零件，使材料和功能特性得以按需定制，广泛应用于航空航天、汽车和医疗技术等行业。由于激光与材料之间的相互作用十分复杂，确保工艺的稳定性是一项挑战。在 LAZ，学生和科研人员通过整体观察研究飞溅、烟雾和凝固现象，而对粉末床层和重熔几何结构的静态分析则有助于缺陷检测。视频和图像序列通过 IDS peak 软件进行记录，为参数评估和错误追踪提供数据基础。
增材制造的实验装置。图片来源：IDS Imaging Development Systems。
LAZ 的研究员 David Kolb 解释道：“我们使用 USB3 uEye CP 相机系列中的一款型号，对 PBF-LB/M 过程进行整体的动态观察，例如飞溅或烟雾的形成。而来自 SE 系列的 USB3 uEye 相机则用于静态的高分辨率检测，以识别粉末层以及重熔零件层几何结构中的异常情况。”
在整体监测中，U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 采用 Sony Pregius 系列 IMX273 全局快门 CMOS 传感器，能够以 1456 × 1088 像素的分辨率捕捉 1.58 百万像素图像，帧率高达每秒 251 帧，即便在弱光条件下也具有高灵敏度和宽动态范围。在静态分析中，U3-3990SE Rev.1.2 配备 Sony Pregius S 系列的 IMX541 传感器。这是一款背照式 CMOS 器件，具备 20.36 百万像素（4512 × 4512 像素），像素尺寸仅 2.74 微米，量子效率更高，能够在 100 毫米 × 100 毫米的视场中检测到 40 微米以下的特征。Kolb 补充道，USB3 uEye SE 被以特定角度定位，用于近乎垂直地观察粉末层，这种调整由于系统的灵活性而能在实验室中快速完成。
uEye CP 相机采用 29 × 29 毫米的工业标准格式，具备专利外壳设计。图片来源：IDS Imaging Development Systems。
为了确定工艺参数，LAZ 的研究人员制造了立方体形状的组件，并使用 USB3 uEye CP 对其进行分析。该实验确定了在 FeSi6.5 材料零件生产中最佳的激光设置。FeSi6.5 是一种含有 6.5 重量百分比硅的铁硅合金，这种脆性软磁合金在常规工艺中难以加工，但却能实现高效电机的设计。借助 PBF-LB/M 技术，研究团队生产了用于横向磁通机器的定子半壳体，其具有三维磁通导向、高电阻率、降低的涡流损耗、更高的功率密度，以及诸如冷却结构等附加功能的集成。这些结果表明，监测手段能够支持制造传统方法无法实现的材料和几何结构。
激光应用中心隶属于阿伦大学应用光子学学院，并与本科的工艺工程与管理专业以及硕士的先进材料与制造研究项目相关联。研究课题包括可持续生产、激光材料加工、表面与体积改性以及连接技术。本次监测项目与这些研究方向高度契合，它结合了受控的过程管理、测量技术和机器学习等数据驱动方法。
PBF-LB/M 工艺的整体监测，采用了不同颜色和曝光设置。图片来源：IDS Imaging Development Systems。
总部位于德国奥伯苏尔姆的 IDS Imaging Development Systems 公司，专注于开发和制造 USB、GigE 和 3D 成像的工业相机，以及集成人工智能的型号。该公司同时运营 visionpier 在线市场，连接即用型图像处理解决方案的供应商与终端客户。公司成立于 1997 年，现有约 350 名员工，并在美国、日本、韩国、英国、法国和荷兰设有分支和办事处。在本项目中，其成像平台提供了捕捉动态激光-材料相互作用和静态粉末床几何结构所需的精度。
未来，LAZ 将在研究中集成人工智能，自动分析 PBF-LB/M 工艺的动态和静态观测。目标是进一步深入理解高度动态的激光-材料相互作用，包括飞溅数量和轨迹以及工艺缺陷的形成，并在资源效率和可持续性方面进一步改进增材制造过程。
由 FeSi6.5 制成的横向磁通机器软磁定子半壳体，增材制造完成后位于构建平台上。图片来源：IDS Imaging Development Systems。
