基于光学麦克风的增材制造实时质量监测
增材制造对过程监测的迫切需求
增材制造（AM）技术在工业界快速普及。随着数字化和按需生产推动生产线全自动化，可靠的过程监测方法愈发关键。在激光金属加工中，光学和声学发射信号可实时关联最终部件质量。气孔、裂纹等缺陷严重影响力学性能，实时预警可减少废料并节省时间。
现有监测手段的局限
热像仪、高速相机、光电二极管等光学系统虽广泛用于监测激光-金属相互作用区，但无法捕捉激光关闭后发生的热应力开裂等现象。结构声传感器虽在粉末床熔融（PBF）中商用，但在激光金属沉积（LMD）或线材电弧增材制造（WAAM）中，结构声传播路径随构建过程变化甚至中断，固定距离的空气耦合声学传感器成为更优选择。
全新超声检测技术：光学麦克风
XARION Laser Acoustics 的宽带光学麦克风基于干涉原理，无可动部件。其 2 mm 干涉腔内声波引起折射率变化，导致腔内激光波长微小偏移，产生干涉光强变化，经外部光电二极管测量。这种无机械运动的声电转换提供市场上最宽频响（10 Hz 至 1 MHz），比现有技术宽 10 倍。背景噪声多集中在 <100 kHz，光学麦克风可清晰分离工艺信号与噪声。高频上限受空气吸收限制（如 2 MHz 衰减约 640 dB/m）。
激光金属沉积（LMD）应用
LMD 易因热应力产生裂纹，甚至在工艺结束数分钟后仍可发生。机器人基 LMD 可保持恒定测量距离，随机器人头安装的空气耦合声学系统可同时分析激光-材料相互作用信号及熄火后的材料行为。裂纹信号呈宽频带特性，应用 350 kHz-1 MHz 高通滤波可排除生产噪声干扰，与 X 射线和涡流无损检测的裂纹计数高度相关。
粉末床熔融（PBF）应用
光学麦克风置于构建室内，距构建板约 30 cm。高频超声分析无混响干扰，时间分辨率优于低频。PBF 使用振镜扫描激光，导致空气信号随距离和频率衰减，但关系已知，若同步跟踪激光坐标可补偿。短时频谱异常检测无需恒定信号基线。例如：熔融粒子上激光扫过产生的宽频带峰值，以及 200-600 kHz 频带内的裂纹信号（3D 频谱图与 2D 能量曲线）。
线材电弧增材制造（WAAM）应用
WAAM 声学特征虽也宽频至 600 kHz，但与 LMD 差异显著：液滴形成周期（约 10 ms 一个周期）、电弧调制率相关音调信号（如 80 kHz）、金属蒸发相关的宽频带发射。监测电弧稳定性可用窄带通滤波器锁定调制频率及谐波；监测液滴形成周期可对高通滤波后的时域信号做 FFT 分析，剔除背景噪声提取液滴频率。
结论与展望
无膜宽带光学麦克风使获取超高频声学过程信息成为可能，实现实时监测。未来将引入三角定位技术定位声源，结合板载 AI 方法处理声学数据流，推进工业级复杂监测应用。
本文由 XARION Laser Acoustics GmbH 的 Martin Ursprung、Thomas Heine、Balthasar Fischer、Wolfgang Rohringer、Ryan Sommerhuber 撰写。联系人：Ryan Sommerhuber。
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