用于金属增材表面形貌测量的共聚焦显微技术

金属增材制造（AM）技术，尤其是粉末床熔融（PBF）工艺，能够制造出几何形状极为复杂的金属零件，广泛应用于航空航天、医疗和汽车等领域。然而，这类零件表面常具有高斜率、深槽、反射不均和粉末粘附等复杂特征，给表面形貌的精确测量带来巨大挑战。光子湾科技的共聚焦显微镜作为非接触式光学测量技术，因其高分辨率和对陡峭特征的探测能力，成为测量金属增材表面形貌的重要工具。

 

金属增材表面的测量挑战

不同金属增材PBF块体

金属PBF表面（如Inconel 718和Ti-6Al-4V）的顶面和侧面具有截然不同的形貌特征。顶面通常呈现熔道波纹和热致波浪，而侧面则多为粘附的粉末颗粒和球状飞溅物，具有更高的粗糙度和更复杂的几何结构。这些特征导致测量时容易出现信号饱和、阴影效应以及因斜率过大而产生的未测量点。

 

共聚焦显微镜的测量参数优化需求

共聚焦显微镜的工作原理和配置

为了获得可靠的测量结果，必须对共聚焦显微镜的测量参数进行系统优化。关键参数包括：

物镜倍数与数值孔径：影响横向分辨率、景深和可测斜率范围。

扫描模式：如单次采样与双次采样模式，后者通过增加扫描方向提升对复杂特征的捕捉能力，但会增加测量时间。

横向与纵向采样分辨率：决定数据点的密度和测量文件的体积。

高动态范围：通过多曝光融合应对表面反射率剧烈变化。

阈值水平：用于滤除噪声信号，平衡数据完整性与质量。

 

共聚焦显微镜参数对关键性能指标的影响

共聚焦显微镜测量金属增材表面时，不同参数对关键性能指标影响显著。

表面粗糙度参数Sa最为稳健，参数变化下其波动通常小于5%，表明其对测量设置不敏感。

未测量点与噪声则高度依赖参数选择：双采样模式可显著提升侧面等复杂表面的数据完整性；增大纵向扫描步距虽节省时间，却因依赖插值而增加噪声；启用高动态范围能降低噪声，但可能因算法判定严格而增加无效点；提高阈值水平在抑制噪声的同时也会损失数据点。

表面取向与物镜倍数是优化策略的关键，例如侧面需采用高倍数物镜与双采样模式以捕捉细节，而顶面在较低倍数下即可获得良好测量效果。

 

共聚焦显微镜应用于金属增材形貌测量的优势

 

共聚焦显微镜在使用高倍物镜（50×）下，金属增材表面纹理参数Sa的效应图

1. 适应复杂形貌：

能够有效测量金属增材表面常见的高斜率、高深宽比、反射率不均、粉末粘附、焊道、焊波等复杂特征。

2. 高分辨率与细节捕捉：

使用高倍物镜（如50×）可分辨微米级特征，如焊波、粉末颗粒边缘等。支持高横向分辨率（如1024像素），避免因采样不足导致的细节丢失。

3. 多种扫描模式提升测量质量：

CSDS模式通过双向扫描显著减少未测量点，尤其适用于侧表面。

4. 高动态范围适应反射率变化：

HDR功能通过多曝光合成，适应金属表面反射率差异大的区域，提升测量覆盖率。

5. 可调节阈值控制噪声：

通过调节阈值水平，可在保留真实形貌与抑制噪声之间取得平衡。

6. 适用于不同表面方向与材料：

研究显示，共聚焦显微镜在不同材料（Inconel 718、Ti-6Al-4V）和不同表面方向（顶面、侧面）上均表现出良好的稳健性。

共聚焦显微镜在金属增材表面形貌测量中表现出高适应性、高分辨率、强抗干扰能力，尤其适用于复杂、多尺度、光学特性不均的金属增材制造表面。通过优化测量参数（如扫描模式、HDR、阈值等），可显著提升测量质量，为工艺分析与质量控制提供可靠数据支持。

 

光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

 
 

超宽视野范围，高精细彩色图像观察

提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术

采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计

提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能

光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为精密测量提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。

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