将在NIST的3D打印机的测试平台
3D打印的金属物体是一个蓬勃发展的行业，市场的产品和服务价值超过23亿美元估计2015 -近五倍的增长，自2010。对于这种类型的制造，一个金属部分是建立了连续，逐层，超过分钟或小时。有时成千上万层被添加在一起，使一个单一的-这个过程被称为“添加剂制造”（AM）的原因之一。
这个3D打印机通过激光熔化精细金属粉末来构建物体。首先，表面涂上金属粉末。然后，高功率激光将粉末以特定的模式熔化。过程重复数百次或数千次，逐层建造金属件。最后，当对象完成后，多余的粉末被删除。NIST的研究人员正在研究这种3D打印给行业用户更多的控制自己的3D打印过程的工具。
添加剂制造机特别适合制造复杂形状或几何形状的物体，或管道或通道等内部特征。他们越来越受欢迎，在航空航天，汽车，医疗和技术行业，使复杂的作品，如喷油器喷嘴发动机或钛骨植入颅骨，髋关节，和其他修理。
但商业技术仍然是相对较新的，并保持质量控制是具有挑战性和耗时的。NIST的Brandon Lane说，在同一台机器上制造的两种产品不一定是相同尺寸的产品。细小的缺陷称为孔隙可以出现在层，降低了强度特性的一部分。残余应力可以建立在层冷却，创建层之间的裂缝和翘曲片。应力可以如此的高，，可以扭曲一英寸厚的钢用毫米。
Lane说：“它实际上会破坏机器内部的螺栓，因为它只想把土豆从残余的压力中剥离出来。”。“任何有商业机器的人都看到零件从盘子里掉出来。”
用户需要的是更多的控制3D打印过程，这意味着回答一些基本问题。熔化的金属在每层中有多热？如何降低引起开裂和翘曲的应力？你需要什么传感器，以提供更好的信息，什么是发生在印刷机？
为了解决这些问题，从两个NIST实验室–NIST的工程实验室的研究人员（EL）和物理测量实验室（PML）–联手打造的添加剂制造计量测试平台（AMMT），一个定制的3D打印机，他们可以更好的理解是过程。他们的目标是深入研究过程，并产生用户需要实时监控过程的工具。
“在添加剂制造领域，已经有一个推动行业开始将传感器和监控系统在他们的机器，”Lane说，工程实验室的成员（EL）。“所以我们希望能够有这种能力，我们也希望有一个平台，我们可以测试完全新的想法”的传感器。
他们设计的3D打印机测试系统是一个小型汽车的大小和工作方式与许多商业AM系统这种类型的***机械臂适用于薄，甚至一层金属粉末的表面上的平板金属板。然后一个高功率的激光束移动的表面上的这种喷粉金属的图案所需的工件被制造。熔化粉末，简单液化前冷却成固体。当激光完成后，一层新的粉末被应用，并且该过程重复。
在结束时，任何多余的粉末-这可能是下或区域内的一块-被删除，留下成品金属对象站在孤独。目前，该机是建立使用三种不同的金属共同商业AM机器：不锈钢，钴铬，和镍合金。（见视频演示。）
与商业系统，其软件是专有的，NIST的测试平台，让研究人员完全控制系统。“商业系统有点‘黑箱’，”Lane说。“你可以控制一定的激光功率和速度，但你真的不能控制每一微秒的过程。我们的系统，我们可以控制速度和功率在100千赫的–每10微秒激光。”Lane和他的同事们设计和建造的EL和PML的平台本身。EL将主要负责运行在系统上的测试，而PML的研究人员一直致力于提供传感器的过程的测量，以及校准和溯源到国家标准。
由于许多AM过程中出现的问题，在熔化过程中，NIST团队需要找到一种方法来精确地监测温度，他们称之为“熔池”-池的熔融金属液体产生的，而激光加热的粉末。在这种情况下，最好的方式来衡量它的温度是衡量属性的光来关闭它。材料加热到不同的颜色取决于他们是如何热-这就是为什么熔岩是深红色和我们的太阳是黄色的白色。
现在，他们被设置为测量亮度-他们说这可能是足够的许多AM用户。Lane说：“他们可能只需要相对测量–熔池波动的相对观测值.”。但最终目标是将这些相对测量值转化为绝对测量值–使用亮度和其他特性作为测量熔池实际温度的一种方法。要做到这一点，PML工作人员将需要表征系统，并确保已与标准校准的光强度传感器。
Lane说：“最终，我们要在一个宽范围的光波长上获得一个完整的表面温度地图，从大约400纳米的蓝色可见光到中红外（IR）的光，在10微米的范围内，这些波长对于人眼来说太长了。“PML是帮助我们做到这一点必不可少的。”
目前，研究人员正在使用一个定制的消色差透镜的相机来测量池的亮度超过他们最终需要的一些波长，从红到近红外光，在约850纳米。“但在更高的温度下，它的蓝色光–较短波长的可见光–的事情，”PML Steve Grantham说。“所以我们实际上有一些不同的诊断方法”来衡量。
附录传感器系统，他和他的同事将PML在未来一年半的被称为温度和发射率的融化，粉末和固体（临时工）。在它的许多功能中，系统将包括一个半球形状的反射仪，这将允许他们收集关于光反射的信息。该反射仪将反过来使他们能够映射的发射池***的* * * * *随着时间的推移，以及其变化的温度。和临时工将包括光谱仪，允许全可见光和红外光谱测量到10微米的波长。
“当临时工制度时，我们会得到三倍和扩大波长的政权，”Lane说。
研究人员说，在未来几年内，有足够的空间进一步扩展他们的能力。“现在，[我们]看着三个基本材料，但是任何人使用的添加剂制造是公平的比赛，”Grantham说。最终，他们希望该系统将是有益的添加剂制造业之外，看固体材料，经历了极度的热，如超音速飞机的翼梢。