Operando högupplöst närinfraröd bildtagning under lasersintring av nanopartiklar för tids- och rumsligt upplösta temperaturmätningar

Att se material värmas upp i realtid

Från 3D‑utskrivna metalldelar till nästa generations elektronik förlitar sig många avancerade tekniker på lasrar för att smälta små partiklar till fasta, hållbara material. Men under dessa blixtsnabba processer har den kanske viktigaste storheten — materialets faktiska temperatur — varit extremt svår att mäta med både tids- och rumsupplösning. Denna studie presenterar ett kompakt bildsystem som kan följa temperaturökningar och -fall på mikroskopiska punkter på under en tusendels sekund, vilket öppnar dörren för bättre kontroll över hur högpresterande material tillverkas.

Varför små heta fläckar spelar roll

Lasersintring fungerar genom att fokusera en stråle mot en bädd eller pellet av pulver så att partiklarna värms, smälter samman och tätas till ett fast ämne. Särskilt för halvledar- och oxidnanopartiklar som titandioxid styrs den slutliga kornstorleken, porerna och till och med sprickbildning av den exakta temperaturhistoriken över bara några millisekunder och några mikrometer. För kallt och materialet förblir poröst; för varmt eller för länge och det kan spricka eller till och med avlittereras. Konventionella infraröda kameror saknar ofta antingen hastighet eller rumslig detalj för att fånga vad som händer i dessa små heta fläckar, och termoelement kan inte placeras direkt i den aktiva regionen. Författarna vände sig därför till närinfrarött ljus och en högfartskamera för att spåra temperaturen utan att röra provet.

Att omvandla glöd till temperaturkartor

Alla varma föremål strålar i infrarött, och vid de höga temperaturer som är relevanta för lasersintring ligger en betydande del av den strålningen i närinfrarött, precis bortom det synliga röda. Teamet modifierade en kommersiellt tillgänglig högfartskamera baserad på en kisel-sensor, tog bort dess inbyggda filter och utrustade den med ett mikroskopobjektiv optimerat för närinfrarött ljus. Ett långpassfilter blockerar synligt och ultraviolett ljus — inklusive själva lasern och eventuell fluorescens — så att kameran endast registrerar termisk emission från det upphettade materialet. För att översätta ljusstyrka till faktisk temperatur kalibrerade de systemet noggrant med en titandioxidpellet upphettad på en keramisk platta, där temperaturen följdes med ett termoelement och en pyrometer. Genom att passa en standard radiometrisk ekvation till dessa data erhöll de en omvandlingskurva som gör om varje pixels intensitet till en temperatur, med en noggrannhet lämplig för temperaturer mellan cirka 600 °C och 900 °C vid mer än tusen bildrutor per sekund.

Att zooma in på snabba, små heta fläckar

Mikroskopoptiken ger en rumslig upplösning bättre än 10 mikrometer — tillräckligt fin för att urskilja den ungefär 9‑mikrometer stora laserfläcken på pelletet. Tester med en kalibrerad mikroskoplinjal visade att detaljer med bara 10 mikrometers avstånd kunde särskiljas tydligt, även om kameran betraktar provet i en 45‑graders vinkel. Samtidigt kan kameran spela in mer än tusen helbildsbilder per sekund och, med ett reducerat synfält, nästan sexton tusen bilder per sekund. Denna kombination gjorde det möjligt för forskarna att följa hur hotspotens temperatur utvecklades över tiden när de varierade både laserffekt och pulslängd under resonant ultraviolett lasersintring av titandioxidnanopartiklar.

Hur värme formar det slutliga materialet

Med det kalibrerade systemet mätte teamet hur hotspottemperaturen reagerar på laserpulser av olika effekter och längder. De fann en mycket snabb temperaturökning inom den första millisekunden av exponering, följt av ett lätt fall till en platå som varar resten av pulsen, och sedan en lika snabb avkylning när lasern stängs av. Genom att justera laserens effekt kunde de höja eller sänka platåtemperaturen; genom att ändra pulslängden kunde de kontrollera hur länge materialet förblev varmt. I högeffektsförsök uppmättes uppskattade uppvärmnings- och avkylningshastigheter på miljontals grader per sekund. Svepelektronmikroskopbilder av de sintrade fläckarna visade att dessa temperatur‑tidsprofiler korrelerar direkt med mikrostrukturen: måttliga effekter gav nästan helt täta regioner, medan högre effekter introducerade porer, vågmönster och så småningom sprickor eller till och med tecken på materialborttagning. Den rumsliga utbredningen av densifiering motsvarade den region som utsatts för de högst uppmätta temperaturerna.

En ny inblick i snabb tillverkning

I vardagliga termer har författarna byggt ett högfarts termiskt "mikroskop" som kan se en liten yta av material värmas upp och svalna medan en laser förenar nanopartiklar till ett fast ämne. Genom att koppla dessa detaljerade temperaturfilmer till den slutliga interna strukturen visar arbetet hur tillverkare kan ställa in laserffekt och timing som reglage för att få önskade egenskaper samtidigt som skador undviks. Eftersom systemet är kompakt, byggt av komponenter från butikshyllan och fungerar vid mycket höga temperaturer, kan det integreras i en mängd olika laserbaserade tillverkningssystem och till och med kombineras med röntgeninstrument. I slutändan för oss detta tillvägagångssätt närmare skräddarsydda material vars struktur formas med millisekunds- och mikrometersprecision.

Citering: 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

Nyckelord: lasersintring, närinfraröd bildtagning, högfartstermografi, nanopartiklar, additiv tillverkning