增材制造中的OES过程监控
增材制造
增材制造（AdditiveManufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。
增材制造相对传统制造具有许多优势，包括减少浪费，增加内部复杂性以及消除对特定产品的工具的需求。但直接的材料沉积中产生的熔化物也会引入缺陷，在过去这些缺陷限制了3D打印机在原型设计中的应用。这些缺陷通常来自于多种源头，包括熔池不稳定，意外的热变形，环境异常和激发源的波动。
因此，实时监控技术对于降低缺陷率至关重要，可以完全发挥增材制造的所有优点。对于金属3D打印实时监控显得尤为重要，这不仅是因为材料成本增加，更因为其具有极高的熔点。幸运的是， 3D打印中使用的高温促进了被动光学发射光谱（OES）监控手段的集成。
下图显示了将AvaSpec-ULS3648光谱仪集成到DED打印头中的案例，图中，信号光是通过相对于激光器的光轴成60度角定向的光纤收集的。
集成在DED打印头中收集光信号的光纤和光学器件
光谱仪要求
当利用OES数据进行增材制造过程的实时监控时，需要很高分辨率的光谱仪才能区分相似的原子，荷兰Avantes公司的 AvaSpec-ULS4096CL-EVO光谱仪是一个非常理想的选择。它使用3600线/毫米光栅，能够在200 nm至400 nm范围内提供高达0.05 nm的分辨率。
此外， AvaSpec-ULS4096CL-EVO 配有CMOS探测器，与CCD探测器相比，它具有出色的线性度和动态范围，因此非常适合OES应用。Avantes公司的光谱仪还有专有的高速电子触发，高速数据传输速率和强大的数字I / O功能，这都使得AvaSpec系列光谱仪可直接集成到高速检测系统中。
将光谱仪集成到3D打印机中时，选择适合特定环境条件的光纤也是非常重要的。在严苛的制造环境中，带有金属铠甲的光纤可提供很好的保护，但光纤的柔韧性会稍微降低。因此，在选择光纤种类时，对整个系统的机械限制进行综合考虑非常重要，如光纤及线缆的走线管理。在某些情况下，如果光纤端部非常靠近熔池，则可能需要耐高温（最高耐500摄氏度）的光纤组件。Avantes公司提供了多种光纤类型，以确保您可以找到满足特定集成需求的解决方案。