vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2026-71-2-95-104vestift-941Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYКонтроль температуры ванны расплава при электронно-лучевом аддитивном формообразовании методом спектральной термографииTemperature monitoring of the molten bath in electron beam additive manufacturing using spectral thermographyhttps://orcid.org/0000-0003-0919-7762ХохловД. Д.KhokhlovD. D.

Хохлов Демид Денисович – кандидат технических наук, заведующий лабораторией

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Demid D. Khokhlov – Cand. Sci (Engineering), Laboratory Chief 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

khokhlov.dd@ntcup.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7574-3437БыковА. А.BykovA. A.

Быков Алексей Александрович – кандидат технических наук, научный сотрудник

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Alexey A. Bykov – Cand. Sci. (Engineering), Researcher

15, Butlerov St., 117342, Moscow

bykov@ntcup.ruhttps://orcid.org/0009-0004-3484-6466ПоляковМ. П.PoliakovM. P.

Поляков Михаил Петрович – младший научный сотрудник 

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Mikhail P. Poliakov – Junior Researcher 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

polyakov.mp@ntcup.ruhttps://orcid.org/0009-0008-4723-0803ШишкинД. В.ShishkinD. V.

Шишкин Дмитрий Владимирович – техник 

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Dmitriy V. Shishkin – Technician 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

shishkindmv@mpei.ruhttps://orcid.org/0009-0002-6507-3000БелыхА. Ю.BelykhA. Yu.

Белых Андрей Юрьевич – младший научный сотрудник 

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Andrey Yu. Belykh – Junior Researcher 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

belykh.ay@ntcup.ruhttps://orcid.org/0009-0009-9211-7081КорнееваА. А.KorneevaА. A.

Корнеева Анастасия Алексеевна – ведущий инженер-конструктор 

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Anastasiia A. Korneeva – Lead Design Engineer 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

korneeva.aa@ntcup.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1043-7014ЗолотухинаА. А.ZolotukhinaA. A.

Золотухина Анастасия Александровна – младший научный сотрудник 

ул. Бутлерова, 15, 117342, Москва

Anastasia A. Zolotukhina – Junior Researcher 

15, Butlerov St., 117342, Moscow

zolotukhina.aa@ntcup.ruНаучно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наукРоссияScientific and Technological Centre of Unique Instrumentation of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20260907202671295104Copyright © Хохлов Д.Д., Быков А.А., Поляков М.П., Шишкин Д.В., Белых А.Ю., Корнеева А.А., Золотухина А.А., 20262026Хохлов Д.Д., Быков А.А., Поляков М.П., Шишкин Д.В., Белых А.Ю., Корнеева А.А., Золотухина А.А.Khokhlov D.D., Bykov A.A., Poliakov M.P., Shishkin D.V., Belykh A.Y., Korneeva А.A., Zolotukhina A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/941

Представлен метод спектральной термографии для контроля пространственного распределения температуры в ванне расплава при аддитивном формообразовании металлических изделий и экспериментальная установка для реализации данного метода. В основе метода лежит мультиспектральная съемка в четырех узкоспектральных каналах при помощи одиночного матричного приемника излучения. В ходе работы проведена экспериментальная апробация метода на установке электронно-лучевого аддитивного формообразования. Полученные в эксперименте данные подвержены характерным искажениям, связанным с частичным осаждением материала на защитном стекле мультиспектральной камеры. Предложенный алгоритм предварительной обработки скомпенсировал указанные искажения. Результаты экспериментов по электронно-лучевому аддитивному формообразованию указывают на возможность регистрации относительных изменений температуры в процессе аддитивного формообразования. При выбранной частоте регистрации кадров на пространственных распределениях температуры видны периодические изменения, сопряженные с особенностями выбранных режимов наплавки. Общий характер пространственного распределения температуры в ванне расплава в значительной мере совпадает с теоретическими данными, описанными в ранее опубликованных работах. Полученные результаты позволяют судить о возможности дальнейшего применения предложенного подхода для контроля температурных режимов при аддитивном формообразовании.

This article presents a spectral thermography method for monitoring the spatial temperature distribution in the molten bath during additive manufacturing of metal parts, along with the experimental setup designed to implement this method. The approach is based on multispectral imaging across four narrow-band spectral channels using a single image sensor. The method was experimentally tested on an electron beam additive manufacturing system. The raw experimental data exhibited characteristic distortions caused by partial material deposition on the protective camera window. A dedicated preprocessing algorithm was developed to compensate for these distortions. Experimental results from electron beam additive manufacturing system demonstrate the feasibility of detecting relative temperature changes during the additive synthesis process. At the selected frame capture rate, periodic temperature fluctuations are observable in the spatial temperature maps, correlating with the specific cladding mode parameters. The overall pattern of the spatial temperature distribution in the mol - ten bath shows a high degree of consistency with theoretical predictions reported in earlier publications. These findings confirm the potential for further application of the proposed approach in temperature regime monitoring during additive manufacturing processes.

спектральная термографиямультиспектральная камеранеразрушающий контрольэлектронно-лучевое аддитивное формообразованиебесконтактный контроль температурыspectral thermographymultispectral cameranon-destructive testingelectron-beam additive manufacturingnon-contact temperature monitoringисследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-79-10239; https://rscf.ru/project/24-79-10239).the study was funded by the Russian Science Foundation (grant no. 24-79-10239 (https://rscf.ru/en/ project/24-79-10239).ReferencesAdditive Manufacturing: A Comprehensive Review / L. Zhou, J. Miller, J. Vezza [et al.] // Sensors. – 2024. – Vol. 24, № 9. – Art. ID 2668. https://doi.org/10.3390/s24092668Zhou L., Miller J., Vezza J., Mayster M., Raffay M., Justice Q., Al Tamimi Z., Hansotte G., Sunkara L. D., Bernat J. Additive Manufacturing: A Comprehensive Review. Sensors, 2024, vol. 24, no. 9, art. ID 2668. https://doi.org/10.3390/s24092668Gibson, I. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing / I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker. – New York: Springer, 2014. – XXII, 459 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1120-9Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. New York, Springer, 2014. XXII, 459 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1120-9A review on qualification and certification for metal additive manufacturing / Z. Chen, C. Han, M. Gao [et al.] // Virtual and Physical Prototyping. – 2022. – Vol. 17, № 2. – P. 382–405. https://doi.org/10.1080/17452759.2021.2018938Chen Z., Han C., Gao M., Kandukuri S. Y., Zhou K. A review on qualification and certification for metal additive manu- facturing. Virtual and Physical Prototyping, 2022, vol. 17, no. 2, pp. 382–405. https://doi.org/10.1080/17452759.2021.2018938Влияние условий термоциклирования в процессе аддитивного производства заготовок из нержавеющей стали и силумина на их микроструктуру / И. Л. Поболь, А. А. Бакиновский, М. К. Степанкова [и др.] // Литье и металлургия. – 2018. – T. 4. – C. 133–138. https://doi.org/10.21122/1683-6065-2018-4-133-138Pobol I. L., Bakinovsky A. A., Stepankova M. K., Burin A. N., Gupko A. D. The influence of thermal cycling conditions during additive manufacturing of stainless steel and silumin blanks on their microstructure. Litie i metallurgia = Foundry Production and Metallurgy, 2018, vol. 4, pp. 133–138 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1683-6065-2018-4-133-138Логинова, И. С. Исследование формирования структуры в процессе лазерной обработки алюминиевых сплавов, предназначенных для аддитивных технологий: дис. … канд. техн. наук: 05.16.01 / Логинова Ирина Сергеевна; Нац. исслед. технол. ун-т «МИСиС». – М., 2019. – 157 л.Loginova I. S. Study of Structure Formation During Laser Processing of Aluminum Alloys Intended for Additive Technologies [dissertation]. Moscow, 2019. 157 p. (in Russian).Какорин, Д. Д. Автоматизация технологического процесса аддитивного производства металлических изделий послойной электродуговой наплавкой: дис. … канд. техн. наук: 2.3.3 / Какорин Даниил Дмитриевич; Твер. гос. техн. ун-т. – Тверь, 2025. – 158 л.Kakorin D. D. Automation of the Technological Process of Additive Manufacturing of Metal Products by Layer-byLayer Electric Arc Surfacing [dissertation]. Tver, 2025. 158 p. (in Russian).Geometrical Influence on Material Properties for Ti6Al4V Parts in Powder Bed Fusion / F. Nahr, M. Rasch, C. Burkhardt [et al.] // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2023. – Vol. 7, № 3. – Art. ID 82. https://doi.org/10.3390/jmmp7030082Nahr F., Rasch M., Burkhardt C., Renner J., Baumgärtner B., Hausotte T., Körner C. [et al.]. Geometrical Influence on Material Properties for Ti6Al4V Parts in Powder Bed Fusion. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2023, vol. 7, no. 3, art. ID 82. https://doi.org/10.3390/jmmp7030082Paolini A. Additive manufacturing in construction: A review on processes, applications, and digital planning methods / A. Paolini, S. Kollmannsberger, E. Rank // Additive Manufacturing. – 2019. – Vol. 30. – Art. ID 100894. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100894Paolini A., Kollmannsberger S., Rank E. Additive manufacturing in construction: A review on processes, applications, and digital planning methods. Additive Manufacturing, 2019, vol. 30, art. ID 100894. https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100894Alhijaily A. Teams of robots in additive manufacturing: a review / A. Alhijaily, Z. M. Kilic, A. N. P. Bartolo // Virtual and Physical Prototyping. – 2023. – Vol. 18, № 1. – Art. ID e2162929. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2162929Alhijaily A., Kilic Z. M., Bartolo A. N. P. Teams of robots in additive manufacturing: a review. Virtual and Physical Prototyping, 2023, vol. 18, no. 1, art. ID e2162929. https://doi.org/10.1080/17452759.2022.2162929Enabling pyrometry in absorber-free laser transmission welding through pulsed irradiation / V. Mamuschkin, A. Haeusler, C. Engelmann [et al.] // Journal of Laser Applications. – 2017. – Vol. 29, № 2. – Art. ID 022409. https://doi.org/10.2351/1.4983515Mamuschkin V., Haeusler A., Engelmann C., Olowinsky A., Aehling H. Enabling pyrometry in absorber-free laser transmission welding through pulsed irradiation. Journal of Laser Applications, 2017, vol. 29, no. 2, art. ID 022409. https://doi.org/10.2351/1.4983515Fast Multi-Wavelength Pyrometer for Dynamic Temperature Measurements / R. Belikov, D. Merges, D. Varentsov [et al.] // International Journal of Thermophysics. – 2024. – Vol. 45, № 2. – Art. ID 29. https://doi.org/10.1007/s10765-023-03323-xBelikov R., Merges D., Varentsov D., Major Z., Neumayer P., Hesselbach P., Schanz M., Winkler B. Fast MultiWavelength Pyrometer for Dynamic Temperature Measurements. International Journal of Thermophysics, 2024, vol. 45, no. 2, art. ID 29. https://doi.org/10.1007/s10765-023-03323-xСнопко, В. Н. Основы методов пирометрии по спектру теплового излучения / В. Н. Снопко; Нац. акад. наук Беларуси, Ин-т физики им. Б. И. Степанова. ‒ Мн.: Ин-т физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси, 1999. ‒ 224 с.Snopko V. N. Fundamentals of Pyrometry Methods Based on Thermal Radiation Spectrum. Minsk, B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, 1999. 224 p. (in Russian).Radiometric Techniques for Emissivity and Temperature Measurements for Industrial Applications / E. M. Vuelban, F. Girard, M. Battuello [et al.] // International Journal of Thermophysics. – 2015. – Vol. 36, № 7. – P. 1545–1568. https://doi.org/10.1007/s10765-015-1901-8Vuelban E. M., Girard F., Battuello M., Nemeček P., Maniur M., Pavlásek P., Paans T. Radiometric Techniques for Emissivity and Temperature Measurements for Industrial Applications. International Journal of Thermophysics, 2015, vol. 36, no. 7, pp. 1545–1568. https://doi.org/10.1007/s10765-015-1901-8Application of infrared thermography for laser metal-wire additive manufacturing in vacuum / X. P. Ding, H. M. Li, J. Q. Zhu [et al.] // Infrared Physics & Technology. – 2017. – Vol. 81. – P. 166–169. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2016.12.017Ding X. P., Li H. M., Zhu J. Q., Wang G. Y., Cao H. Z., Zhang Q., Ma H. L. Application of infrared thermography for laser metal-wire additive manufacturing in vacuum. Infrared Physics & Technology, 2017, vol. 81, pp. 166–169 https://doi.org/10.1016/j.infrared.2016.12.017Vallabh C. K. P. Melt pool temperature measurement and monitoring during laser powder bed fusion based additive manufacturing via single-camera two-wavelength imaging pyrometry (STWIP) / C. K. P. Vallabh, X. Zhao // Journal of Manufacturing Processes. – 2022. – Vol. 79. – P. 486–500. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.04.058Vallabh C. K. P., Zhao X. Melt pool temperature measurement and monitoring during laser powder bed fusion based additive manufacturing via single-camera two-wavelength imaging pyrometry (STWIP). Journal of Manufacturing Processes, 2022, vol. 79, pp. 486–500. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2022.04.058High-resolution melt pool thermal imaging for metals additive manufacturing using the two-color method with a color camera / A. J. Myers, G. Quirarte, F. Ogoke [et al.] // Additive Manufacturing. – 2023. – Vol. 73. – Art. ID 103663. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103663Myers A. J., Quirarte G., Ogoke F., Lane B. M., Uddin S. Z., Farimani A. B., Beuth J. L., Malen J. A. High-resolution melt pool thermal imaging for metals additive manufacturing using the two-color method with a color camera. Additive Manufacturing, 2023, vol. 73, art. ID 103663. https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103663Temperature measurement in laser–metal processing using optical sensing: Radiometric calibration and validation of a multispectral camera / R. Dai, A. Cohen, T. Stoll [el al.] // Measurement. – 2025. – Vol. 242. – Art. ID 115896. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.115896Dai R., Cohen A., Stoll T., Wudy K., Kizel F. Temperature measurement in laser–metal processing using optical sensing: Radiometric calibration and validation of a multispectral camera. Measurement, 2025, vol. 242, art. ID 115896. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.115896Four-Wavelength Thermal Imaging for High-Energy-Density Industrial Processes / A. Bykov, A. Zolotukhina, M. Poliakov [et al.] // Journal of Imaging. – 2025. – Vol. 11, № 6. – Art. ID 176. https://doi.org/10.3390/jimaging11060176Bykov A., Zolotukhina A., Poliakov M., Belykh A., Asyutin R., Korneeva A., Batshev V., Khokhlov D. FourWavelength Thermal Imaging for High-Energy-Density Industrial Processes. Journal of Imaging, 2025, vol. 11, no. 6, art. ID 176. https://doi.org/10.3390/jimaging11060176Convergence Properties of the Nelder–Mead Simplex Method in Low Dimensions / J. C. Lagarias, J. A. Reeds, M. H. Wright [et al.] // SIAM Journal on Optimization. – 1998. – Vol. 9, № 1. – P. 112–147. https://doi.org/10.1137/S1052623496303470Lagarias J. C., Reeds J. A., Wright M. H., Wright P. E. Convergence Properties of the Nelder–Mead Simplex Method in Low Dimensions. SIAM Journal on Optimization, 1998, vol. 9, no. 1, pp. 112–147. https://doi.org/10.1137/S1052623496303470Goldsmith, A. Handbook of Thermophysical Properties of Solid Materials: in 5 vols. / A. Goldsmith, T. E. Waterman, H. J. Hirschhorn. – New York: Macmillan, 1961–1963. – 5 vols.Goldsmith A., Waterman T. E., Hirschhorn H. J. Handbook of Thermophysical Properties of Solid Materials: in 5 volumes. New York: Macmillan, 1961–1963.Fundamentals of heat and mass transfer. / F. P. Incropera, D. P. Dewitt, T. L. Bergman [et al.]. ‒ Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2010. – 997 p.Incropera F. P., Dewitt D. P., Bergman T. L., Lavine A. S. Fundamentals of Heat and Mass Transfer. Hoboken, John Wiley & Sons, 2010. 997 p.Gulyaev, I. P. Spectral-brightness pyrometry: Radiometric measurements of non-uniform temperature distributions / I. P. Gulyaev, A. V. Dolmatov // International Journal of Heat and Mass Transfer. ‒ 2018. ‒ Vol. 116. ‒ P. 1016‒1025. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.084Gulyaev I. P., Dolmatov A. V. Spectral-brightness pyrometry: Radiometric measurements of non-uniform temperature distributions. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, vol. 116, pp. 1016–1025. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.09.084Власов, А. И. Физико-химические основы приборостроения: учеб. пособие / А. И. Власов, В. П. Жалнин, К. В. Селиванов. ‒ М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2024. ‒ 611 с.Vlasov A. I., Zhalnin V. P., Selivanov K. V. Physicochemical Foundations of Instrument Making: Textbook. Moscow, BMSTU, 2024. 611 p. (in Russian).Heat and mass transfer in electron beam additive manufacturing / X. Lai, G. Yang, Y. Wang, Z. Wei // International Journal of Mechanical Sciences. ‒ 2023. ‒ Vol. 259. ‒ Art. ID 108613. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108613Lai X., Yang G., Wang Y., Wei Z. Heat and mass transfer in electron beam additive manufacturing. International Journal of Mechanical Sciences, 2023, vol. 259, art. ID 108613. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108613Свет, Д. Я. Температурное излучение металлов и некоторых веществ / Д. Я. Свет. – М.: Металлургия, 1964. – 134 с.Svet D. Ya. Thermal Radiation of Metals and Certain Substances. Moscow, Metallurgia Publ., 1964. 134 p. (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.