Operando hogesnelheids nabij-infrarood beeldvorming tijdens lasersinteren van nanodeeltjes voor tijd- en ruimteopgeloste temperatuurmetingen

Materialen in realtime zien opwarmen

Van 3D-geprinte metalen onderdelen tot next-generation elektronica: veel geavanceerde technologieën gebruiken lasers om kleine deeltjes samen te smelten tot stevige, duurzame materialen. Tijdens deze bliksemsnelle processen is de belangrijkste grootheid—de werkelijke temperatuur van het materiaal—echter buitengewoon moeilijk in ruimte en tijd te meten. Deze studie introduceert een compact beeldvormingssysteem dat temperaturen op microscopische plekken kan volgen met een tijdsresolutie beter dan een duizendste van een seconde, waardoor betere beheersing mogelijk wordt van hoe hoogpresterende materialen worden vervaardigd.

Waarom kleine hotspots belangrijk zijn

Lasersinteren werkt door een bundel te concentreren op een bed of pellet met poeder, zodat de deeltjes opwarmen, samensmelten en verdichten tot een vaste massa. Vooral bij halfgeleider- en oxide-nanodeeltjes zoals titaniumdioxide worden korrelgroote, porositeit en zelfs scheuren bepaald door de exacte temperatuurgeschiedenis over slechts enkele milliseconden en micrometers. Te koel en het materiaal blijft poreus; te heet of te lang en het kan barsten of zelfs wegbranden. Conventionele infraroodcamera’s missen vaak ofwel de snelheid ofwel de ruimtelijke resolutie om vast te leggen wat er in deze kleine hotspots gebeurt, en thermokoppels kunnen niet direct in het actieve gebied worden geplaatst. Daarom wendden de auteurs zich tot nabij-infrarood licht en een hogesnelheidscamera om temperatuur te volgen zonder het monster aan te raken.

Gloed omzetten in temperatuurkaarten

Elk warm object straalt in het infrarood, en bij de hoge temperaturen die relevant zijn voor lasersinteren valt een aanzienlijk deel van die gloed in het nabij-infrarood, net voorbij rood zichtbaar licht. Het team bouwde een commerciële hogesnelheidscamera met een siliciumsensor om, verwijderde het ingebouwde filter en voorzag de camera van een microscoopobjectief dat geoptimaliseerd is voor nabij-infrarood licht. Een longpass-filter blokkeert zichtbaar en ultraviolette licht—inclusief de laser zelf en eventuele fluorescentie—zodat de camera alleen thermische emissie van het verwarmde materiaal registreert. Om helderheid in werkelijke temperatuur om te zetten, kalibreerden ze het systeem zorgvuldig met een titaniumdioxidepellet verwarmd op een keramische plaat, waarbij de temperatuur met een thermokoppel en een pyrometer werd gevolgd. Door een standaard radiometrische vergelijking op deze data te passen, verkregen ze een conversiecurve die elke pixelintensiteit in een temperatuur omzet, met een nauwkeurigheid geschikt voor temperaturen tussen ongeveer 600 °C en 900 °C bij meer dan duizend beelden per seconde.

Inzoomen op snelle, kleine hotspots

De microscoopoptiek biedt een ruimtelijke resolutie beter dan 10 micrometer—fijn genoeg om de ongeveer 9 micrometer grote laservlek op de pellet te resolueren. Tests met een gekalibreerde microscopische liniaal toonden aan dat kenmerken op slechts 10 micrometer afstand duidelijk te onderscheiden waren, zelfs wanneer de camera het monster onder een hoek van 45 graden bekijkt. Tegelijkertijd kan de camera meer dan duizend volledige frames per seconde opnemen en, met een verkleind gezichtsveld, bijna zestienduizend beelden per seconde. Deze combinatie stelde de onderzoekers in staat om de temperatuur van de hotspot in de tijd te volgen terwijl ze zowel laservermogen als pulslengte varieerden tijdens resonant ultraviolet lasersinteren van titaniumdioxidedeeltjes.

Hoe warmte het eindmateriaal vormt

Met het gekalibreerde systeem mat het team hoe de hotspottemperatuur reageert op laserpulsen met verschillende vermogens en lengtes. Ze vonden een zeer snelle temperatuursstijging binnen de eerste milliseconde van blootstelling, gevolgd door een lichte daling naar een plateau dat de rest van de puls aanhoudt, en vervolgens een even snelle afkoeling zodra de laser wordt uitgeschakeld. Door het laservermogen aan te passen konden ze het plateau op- of verlagen; door de pulslengte te veranderen konden ze bepalen hoe lang het materiaal warm bleef. In experimenten met hoog vermogen bereikten de geschatte verwarmings- en afkoelsnelheden miljoenen graden per seconde. Scanning-elektronenmicroscoopbeelden van de gesinterde plekken toonden aan dat deze temperatuur-tijdprofielen direct correleerden met de microstructuur: matige vermogens produceerden bijna volledig dichte regio’s, terwijl hogere vermogens poriën, rimpels en uiteindelijk scheuren of zelfs tekenen van materiaalsverlies veroorzaakten. De ruimtelijke omvang van de verdichting kwam overeen met het gebied dat de hoogste gemeten temperaturen had ervaren.

Een nieuw venster op snelle fabricage

In alledaagse termen hebben de auteurs een hogesnelheids thermisch "microscoop" gebouwd die een klein stukje materiaal kan volgen terwijl het opwarmt en afkoelt terwijl een laser nanodeeltjes samensmelt tot een vaste massa. Door deze gedetailleerde temperatureregistraties te koppelen aan de uiteindelijke interne structuur, laat het werk zien hoe fabrikanten laservermogen en timing kunnen afstemmen als draaiknoppen om gewenste eigenschappen in te stellen en schade te voorkomen. Omdat het systeem compact is, gebaseerd op kant-en-klare componenten en werkt bij zeer hoge temperaturen, kan het worden geïntegreerd in een breed scala aan laser-gebaseerde productiesystemen en zelfs worden gecombineerd met röntgeninstrumenten. Uiteindelijk brengt deze benadering ons dichter bij op-maat-gemaakte materialen waarvan de structuur met milliseconde- en micrometerprecisie wordt bepaald.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: lasersinteren, nabij-infrarood beeldvorming, hogesnelheidsthermografie, nanodeeltjes, additieve productie