Контроль температуры ванны расплава при электронно-лучевом аддитивном формообразовании методом спектральной термографии

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.

1. Additive 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/s24092668

2. Gibson, 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/10.1007/978-1-4419-1120-9

3. A 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/10.1080/17452759.2021.2018938

4. Влияние 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/10.21122/1683-6065-2018-4-133-138

5. Логинова, 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.

6. 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.

7. 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/jmmp7030082

8. Paolini 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.2019.100894

9. Alhijaily 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/10.1080/17452759.2022.2162929

10. Enabling 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/10.2351/1.4983515

11. Fast 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-x

12. Снопко, 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.

13. 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/s10765-015-1901-8

14. Application 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.2016.12.017

15. Vallabh 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.2022.04.058

16. High-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.2023.103663

17. Temperature 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.2024.115896

18. Four-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/jimaging11060176

19. Convergence 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/S1052623496303470

20. Goldsmith, 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.

21. 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.

22. 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.2017.09.084

23. Власов, 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.

24. 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.2023.108613

25. Свет, Д. Я. Температурное излучение металлов и некоторых веществ / Д. Я. Свет. – М.: Металлургия, 1964. – 134 с.