航空航天領域電子束增材制造 (EBAM) 溫度場測量與監測

引言 

隨著增材制造技術（Additive Manufacturing, AM）在航空航天等高科技領域的廣泛應用，精確的溫度控制成為了確保零件質量和生產效率的關鍵因素。在NASA馬歇爾太空飛行中心（MSFC）進行的電子束增材制造（EBAM）過程中，精確的溫度測量是至關重要的，因為這直接影響到構建材料的物理性質和最終產品的性能。為了實現高精度的溫度監控，采用了LumaSense MCS640近紅外熱像儀，結合先進的鏡頭配置，通過S12 EBAM系統進行溫度數據的實時采集。

 設備與系統配置 

EBAM系統是一款用于金屬材料增材制造的設備，在NASA的應用中用于測試和驗證增材制造工藝。該系統配備了一個127毫米直徑的視窗，通過該視窗可以進行溫度測量和圖像采集。視窗由鉛玻璃和高強度真空玻璃構成，這些玻璃材質在特定波長下會影響輻射的傳輸，因此，選擇合適的測量工具和系統至關重要。

為了捕捉高精度的溫度數據，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。它能夠檢測溫度范圍從600°C到3000°C，適應不同的工作條件和溫度需求。該相機的校準范圍包括三個不同的溫度區間，分別針對不同的鏡頭配置。

鏡頭選擇與校準 

根據實際應用需求，選擇了兩種不同焦距的鏡頭來進行溫度圖像的捕獲。 

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

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

為了確保測量結果的準確性，鏡頭A和鏡頭B在三個不同的溫度區間內進行了校準。這些校準工作在不同的溫度范圍內進行，溫度范圍為： 

- 對于鏡頭A：650°C - 900°C，850°C - 1250°C，1100°C - 1800°C 

- 對于鏡頭B：750°C - 1100°C，915°C - 1400°C，1320°C - 2300°C

特別是鏡頭B的校準工作，還考慮了視窗玻璃對輻射傳輸的影響，進行了有無玻璃的測試，最終確定了透過率為0.54。這一校準過程確保了在真實測試環境下，所捕捉到的溫度數據準確可靠。

熱像儀集成與數據采集 

為了進一步提高數據的準確性和采集效率，熱像儀通過千兆以太網與數據采集系統連接，數據實時傳輸至筆記本電腦進行分析。該數據采集系統包括一個網絡電纜和一個千兆以太網Express卡，確保了大數據量下的穩定傳輸和高速處理。

在圖像采集過程中，系統的集成時間根據不同溫度范圍進行了調整： 

- 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

這些不同的集成時間設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據。

實驗環境與視角設置 

實驗中的熱像儀安裝在穩定的三腳架上，鏡頭被設置在靠近玻璃窗的位置，確保能夠精準地對準增材制造過程中構建板區域。通過對圖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°，且未進行水平偏航或翻滾調整。該設置確保了熱像儀可以準確地捕捉到構建過程中溫度分布的變化。

在NASA馬歇爾太空飛行中心的EBAM增材制造實驗中，采用的熱像儀系統結合了先進的鏡頭選擇與精準的校準技術，成功實現了高精度的溫度測量。這一系統不僅能夠提供不同溫度區間的準確數據，還能夠有效補償視窗玻璃對輻射傳輸的影響，保證了測量結果的可靠性。隨著增材制造技術的不斷發展，類似的溫度監控系統將對改進制造工藝、提高產品質量及優化生產流程發揮重要作用。

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