Operando-Hochgeschwindigkeits-Nahinfrarot-Bildgebung während des Lasersinterns von Nanopartikeln zur zeitlich und räumlich aufgelösten Temperaturmessung

Materialien beim Aufheizen in Echtzeit beobachten

Von 3D-gedruckten Metallteilen bis zu Elektronik der nächsten Generation: Viele moderne Technologien nutzen Laser, um winzige Partikel zu festen, belastbaren Materialien zu verschmelzen. Während dieser blitzschnellen Prozesse war die wichtigste Größe – die tatsächliche Temperatur des Materials – räumlich und zeitlich nur sehr schwer messbar. Diese Studie stellt ein kompaktes Bildgebungssystem vor, das Temperaturen an mikroskopischen Stellen in weniger als einer Tausendstelsekunde beobachten kann und damit bessere Kontrolle darüber ermöglicht, wie Hochleistungsmaterialien hergestellt werden.

Warum winzige Hotspots zählen

Beim Lasersintern wird ein Strahl auf ein Pulverbett oder Pellet fokussiert, sodass die Partikel aufheizen, verschmelzen und zu einem dichten Festkörper werden. Insbesondere bei Halbleiter- und Oxid-Nanopartikeln wie Titandioxid werden Korngröße, Poren und sogar Risse durch die exakte Temperaturgeschichte über nur wenige Millisekunden und wenige Mikrometer bestimmt. Zu kühl, und das Material bleibt porös; zu heiß oder zu lang, und es kann reißen oder sogar abtragen. Konventionelle Infrarotkameras fehlen oft entweder die Geschwindigkeit oder die räumliche Auflösung, um zu erfassen, was in diesen winzigen Hotspots geschieht, und Thermoelemente lassen sich nicht direkt in der aktiven Region platzieren. Die Autoren setzten daher auf Nahinfrarotlicht und eine Hochgeschwindigkeitskamera, um die Temperatur berührungslos zu verfolgen.

Vom Glühen zu Temperaturkarten

Jeder heiße Körper strahlt im Infrarot, und bei den für das Lasersintern relevanten hohen Temperaturen fällt ein bedeutender Teil dieser Strahlung in den Nahinfrarotbereich, knapp jenseits des sichtbaren Rot. Das Team modifizierte eine handelsübliche Hochgeschwindigkeitskamera mit Siliziumsensor, entfernte den eingebauten Filter und stattete sie mit einem für Nahinfrarot optimierten Mikroskopobjektiv aus. Ein Langpassfilter blockiert sichtbares und ultraviolettes Licht – einschließlich des Lasers und etwaiger Fluoreszenz – sodass die Kamera nur die thermische Emission des erhitzten Materials aufzeichnet. Um Helligkeit in tatsächliche Temperatur zu übersetzen, kalibrierten sie das System sorgfältig mithilfe eines Titandioxid-Pellets, das auf einer Keramikplatte erhitzt wurde, wobei die Temperatur mit einem Thermoelement und einem Pyrometer verfolgt wurde. Durch Anpassung einer standardmäßigen radiometrischen Gleichung an diese Daten erhielten sie eine Umrechnungskurve, die die Intensität jedes Pixels in eine Temperatur verwandelt, mit einer Genauigkeit, die für Temperaturen zwischen etwa 600 °C und 900 °C bei mehr als tausend Bildern pro Sekunde geeignet ist.

Heranzoomen auf schnelle, kleine Hotspots

Die Mikroskopoptik liefert eine räumliche Auflösung besser als 10 Mikrometer – fein genug, um den etwa 9-Mikrometer-Laserfleck auf dem Pellet aufzulösen. Tests mit einer kalibrierten Mikrometerlehre zeigten, dass Merkmale mit nur 10 Mikrometern Abstand klar unterschieden werden konnten, obwohl die Kamera das Probenfeld in einem Winkel von 45 Grad betrachtet. Gleichzeitig kann die Kamera mehr als tausend Vollbildaufnahmen pro Sekunde aufzeichnen und bei reduziertem Sichtfeld nahezu sechzehntausend Bilder pro Sekunde. Diese Kombination erlaubte den Forschern, die Temperatur des Hotspots zeitlich zu verfolgen, während sie sowohl Laserleistung als auch Pulsdauer beim resonanten ultravioletten Lasersintern von Titandioxid-Nanopartikeln variierten.

Wie Wärme das Endmaterial formt

Mit dem kalibrierten System untersuchte das Team, wie der Hotspot auf Laserimpulse unterschiedlicher Leistung und Dauer reagiert. Sie beobachteten einen sehr schnellen Temperaturanstieg innerhalb des ersten Millisekunden der Belastung, gefolgt von einem leichten Abfall zu einem Plateau, das für die restliche Pulsdauer anhielt, und danach ein ähnlich schnelles Abklingen, sobald der Laser abgeschaltet wurde. Durch Einstellen der Laserleistung ließen sich Plateau-Temperaturen erhöhen oder senken; durch Änderung der Pulsdauer konnte gesteuert werden, wie lange das Material heiß blieb. In Hochleistungsversuchen erreichten die geschätzten Heiz- und Abkühlraten Millionen Grad pro Sekunde. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen der gesinterten Stellen zeigten, dass diese Temperatur-Zeit-Verläufe direkt mit der Mikrostruktur korrelieren: Moderate Leistungen erzeugten nahezu vollständig dichte Bereiche, während höhere Leistungen Poren, Wellen und schließlich Risse oder sogar Anzeichen von Materialabtrag hervorbrachten. Das räumliche Ausmaß der Verdichtung stimmte mit der Region überein, die die höchsten gemessenen Temperaturen erfahren hatte.

Ein neues Fenster in die schnelle Fertigung

Alltäglich ausgedrückt haben die Autoren ein hochgeschwindigkeitsfähiges thermisches „Mikroskop“ gebaut, das zusehen kann, wie ein winziges Materialstück aufheizt und abkühlt, während ein Laser Nanopartikel zu einem Festkörper verschmilzt. Indem diese detaillierten Temperaturfilme mit der späteren inneren Struktur verknüpft werden, zeigt die Arbeit, wie Hersteller Laserleistung und -zeit wie Regler justieren könnten, um gewünschte Eigenschaften einzustellen und Schäden zu vermeiden. Da das System kompakt, auf handelsüblichen Komponenten basiert und für sehr hohe Temperaturen einsetzbar ist, ließe es sich in eine breite Palette von laserbasierten Fertigungsanlagen integrieren und sogar mit Röntgeninstrumenten kombinieren. Letztlich bringt uns dieser Ansatz der maßgeschneiderten Herstellung von Materialien näher, deren Struktur mit Millisekunden- und Mikrometerpräzision geformt wird.

Zitation: Schulte, J., Schroer, M.A. & Winterer, M. Operando high speed near infrared imaging during laser sintering of nanoparticles for time and space resolved temperature measurements. Sci Rep 16, 8158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37445-7

Schlüsselwörter: Lasersintern, Nahinfrarot-Bildgebung, Hochgeschwindigkeits-Thermographie, Nanopartikel, additive Fertigung