TWI639817B - 檢測製程區域溫度的方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種使用比率高溫計檢測製程區域溫度的方法，其係使用模擬計算獲得模擬溫度，並使用比率高溫計之二種單色模式進行測量，以分別找出第一放射率值及第二放射率值。設定第二放射率值與第一放射率值的比值為比率高溫計之雙色模式的放射率比值，以檢測製程區域溫度。

Description

檢測製程區域溫度的方法

本發明是關於一種檢測製程區域溫度的方法，特別是關於一種使用比率高溫計檢測製程區域溫度的方法。

積層製造(Additive Manufacturing，AM)，即俗稱的3D列印，係建立數位化電腦模型檔案後，藉由加熱金屬粉末或塑膠材料，使其呈熔融可塑狀態，再透過一層層堆疊以製得工件的技術。粉床熔融成型製程(Powder Bed Fusion Process)係常見的積層製造技術之一，粉床熔融成型製程可例如為選擇性雷射熔融(Selective Laser Melting，SLM)製程及選擇性雷射燒結(Selective Laser Sintering，SLS)製程。

選擇性雷射熔融製程係將粉末狀的材料鋪在基材上，並利用高能量的雷射照射在欲成型的位置上，以使材料熔融聚合。選擇性雷射燒結製程亦是利用雷射照射粉末材料後，使材料燒結黏著而聚積成塊，接著再鋪上另一層粉末，並重複製程，直至產品成型。產品的品質取決於各種製程參數，舉例而言，粉末材料的尺寸分布、材料熔池的面積、 熔池溫度以及雷射的相關控制參數(例如：雷射功率、雷射光點尺寸、雷射掃描速度、雷射掃描間距等)都是粉床熔融成型製程的重要製程參數。其中，熔池溫度的檢測有助於對其他製程參數進行調整。

習知係利用亮度高溫計進行熔池溫度的量測，其係藉由將熔池之輻射亮度平面投影至燈絲平面，並調整燈絲之電壓或電流，使燈絲在投影平面上消失，則此電壓或電流即可對應至黑體的亮度溫度(brightness temperature)。

習知光學高溫計係利用放射率測量待測物的溫度，亦可稱為單色模式的高溫計。一般而言，放射率係指物質輻射能量相對於相同溫度之黑體輻射能量的比值，其係取決於溫度、發射角度及波長。因此，光學高溫計雖然可以相當準確的測量待測物的溫度，但前提是必須設定準確的放射率，換言之，設定準確的放射率係獲得待測物之溫度的關鍵。再者，利用光學高溫計進行檢測時，待測物應完全在光學高溫計的測溫區域內，否則所測得的溫度會包括測溫區域內不具有待測物之區域的溫度(亦稱為背景溫度)。再者，由於光學高溫計的測溫原理係計算其測溫區域內的所有測溫點之溫度的平均值，當作所量測到的溫度，故當待測物的面積小於測溫區域時，則光學高溫計會因為背景溫度，而導致計算出的測溫區域之平均溫度並非待測物的平均溫度，故無法獲得準確的待測物溫度。

有鑑於此，亟須提供一種檢測製程區域溫度的方法，以準確量測製程區域的真實溫度。

本發明之一態樣是提供一種檢測製程區域溫度的方法，其係藉由實際量測搭配模擬計算，以對比率高溫計進行準確的設定，進而檢測製程區域的真實溫度。

根據本發明之一態樣，提供一種檢測製程區域溫度的方法。首先，提供比率高溫計，此比率高溫計具有單色模式及雙色模式。單色模式係包含第一單色模式及第二單色模式，而第一單色模式及第二單色模式係分別在第一測溫波長範圍及第二測溫波長範圍中進行檢測。單色模式係根據放射率來進行檢測，而雙色模式係根據放射率比來進行檢測。接著，對製程區域進行模擬計算，以獲得具有複數個模擬製程區域溫度的模擬溫度場。然後，使用前述模擬溫度場並根據第一演算法，計算出比率高溫計在單色模式中對製程區域進行檢測時應獲得的第一模擬溫度值。

接著，分別設定上述放射率為第一放射率及第二放射率，並使用比率高溫計於第一單色模式及第二單色模式中，對製程區域分別進行第一檢測及第二檢測，來獲得對應至第一放射率的第一溫度及對應至第二放射率的第二溫度。當第一溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值係小於或等於第一預設百分比時，設定第一放射率為第一放射率值。當第二溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值係小於或等於第一預設百分比時，設定第二放射率為第二放射率值。當第一溫度及/或第二溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值大於第 一預設百分比時，疊代(Iteratively)調整第一放射率及/或第二放射率，並使用每次調整後之第一放射率及/或第二放射率為放射率，以使用比率高溫計於第一單色模式及/或第二單色模式中對製程區域再分別進行第一檢測及/或第二檢測，直到新獲得之第一溫度及/或第二溫度與第一模擬溫度值之又一平均誤差值小於或等於第一預設百分比為止。然後，設定第二放射率值及第一放射率值的比值為放射率比，並使用比率高溫計於雙色模式中，檢測製程區域溫度。

根據本發明之一實施例，上述第一預設百分比係實質介於0%至5%之間。

根據本發明之一實施例，上述第一演算法之參數包含模擬溫度場之模擬測溫區域的第一節點數、模擬溫度場之模擬製程區域的第二節點數、模擬製程區域溫度及比率高溫計之設定溫度值。

根據本發明之一實施例，上述第一節點數與第二節點數之比值係等於模擬測溫區域之第一面積及模擬製程區域之第二面積的比值。

根據本發明之一實施例，上述第一面積係利用比率高溫計之入射角及焦距進行修正。

根據本發明之一實施例，上述使用比率高溫計檢測製程區域溫度的方法更包含在進行該檢測該製程區域溫度之操作前，使用模擬溫度場並根據第二演算法，來計算出比率高溫計在雙色模式中對製程區域進行檢測時應獲得的第二模擬溫度值。第二演算法與第一演算法不同。接著， 設定放射率比為第二放射率值及第一放射率值的比值並使用比率高溫計於雙色模式中，對製程區域進行第三檢測，來獲得第三溫度。當第三溫度與第二模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第二預設百分比時，放射率比即為前述之比值。當第三溫度與第二模擬溫度值的平均誤差值大於第二預設百分比時，疊代調整第一放射率值及/或第二放射率值，以設定放射率比為調整後之第二放射率值及調整後之第一放射率值的新比值，並使用比率高溫計於雙色模式中，對製程區域進行第三檢測，直到新獲得之第三溫度與第二模擬溫度值之又一平均誤差值小於或等於第二預設百分比為止。

根據本發明之一實施例，上述第二預設百分比係實質介於0%至15%之間。

根據本發明之一實施例，上述第二演算法之參數包含模擬溫度場之模擬製程區域的節點數及模擬製程區域溫度。

根據本發明之一實施例，上述模擬計算係用於粉床熔融成型製程。此模擬計算包含提供關於粉床之一組粉床參數資料，以及使用此組粉床參數資料，來進行粉床模擬操作。前述粉床係包含基材及粉層，粉層包含複數個粉體，且此組粉床參數資料包含粉體粒徑分佈數值、粉層厚度數值、粉體容器尺寸數值以及粉床材料性質。前述粉床模擬操作可獲得粉層之堆積密度數值、粉體之複數個座標值以及粉層之熱傳導係數值。

接著，此模擬計算更包含獲得關於雷射源之一 組第一雷射參數資料以及一組第二雷射參數資料，並根據此組第一雷射參數資料獲得粉體之第一折射率及基材之第二折射率。前述第一雷射參數資料包含雷射光波長、雷射光束半徑及雷射光入射角，而第二雷射參數資料包含雷射功率、雷射光束半徑、雷射光入射角及雷射掃描速率。然後，使用上述粉體的座標值、第一折射率、第二折射率及雷射源的第一雷射參數資料，來進行射線追蹤模擬操作，以獲得粉層之光吸收度資料。吸收度資料為粉層之厚度對雷射源之平均光吸收度。

接著，此模擬計算更包含使用光吸收度資料、堆積密度數值、熱傳導係數值、第二雷射參數資料及粉床材料性質，來進行熱傳模擬操作，以獲得基材、粉層及熔池的溫度分佈，其中熔池包含粉層中溫度高於粉層之熔點的第一區域及/或基材中溫度高於基材之熔點的第二區域。

根據本發明之一實施例，上述製程區域為上述之熔池。

應用本發明之檢測製程區域溫度的方法，使用模擬計算獲得製程區域的模擬溫度，並使用比率高溫計在單色模式下進行測量，以分別找出第一放射率值及第二放射率值。第二放射率值與第一放射率值的比值即可做為比率高溫計之雙色模式的放射率比值，以檢測製程區域溫度。

100‧‧‧方法

101‧‧‧提供比率高溫計

103‧‧‧對製程區域進行模擬計算

105‧‧‧計算第一模擬溫度值

107‧‧‧對製程區域進行第一檢測

109‧‧‧對製程區域進行第二檢測

111‧‧‧計算第二模擬溫度值

113‧‧‧對製程區域進行第三檢測

115‧‧‧檢測製程區域溫度

200‧‧‧方法

210‧‧‧獲得粉床參數資料

220‧‧‧進行粉床模擬操作

230‧‧‧獲得第一雷射參數資料以及第二雷射參數資料

240‧‧‧獲得粉體之折射率及基材之折射率

250‧‧‧進行射線追蹤模擬操作

260‧‧‧進行熱傳模擬操作

312‧‧‧粉層

314‧‧‧基材

316‧‧‧熔池

316a‧‧‧第一區域

316b‧‧‧第二區域

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與 實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：[圖1]係繪示本發明一實施例之使用比率高溫計檢測製程區域溫度的方法的流程圖。

[圖2]係繪示根據本發明一實施例之模擬計算方法的流程圖。

[圖3A]係繪示根據本發明一實施例之模擬計算所獲得之基材、粉層及熔池的溫度分佈示意圖。

[圖3B]係繪示沿著圖3A之A-A線的剖面示意圖。

[圖3C]係繪示根據本發明一實施例之測溫區域與製程區域的示意圖。

[圖4A]係根據本發明一實施例之比率高溫計在第一單色模式下進行測量所獲得的溫度相對於第一模擬溫度值的關係。

[圖4B]係根據本發明一實施例之比率高溫計在第二單色模式下進行測量所獲得的溫度相對於第一模擬溫度值的關係。

[圖5]係根據本發明一實施例之比率高溫計在雙色模式下進行測量之每次所獲得的溫度相對於第二模擬溫度值的關係。

[圖6]係根據本發明另一實施例之比率高溫計在雙色模式下進行測量之每次所獲得的溫度相對於第三模擬溫度值的關係。

承上所述，使用光學高溫計時所具有之背景溫度及放射率設定的問題，可藉由使用比率高溫計(ratio pyrometer)解決。由於比率高溫計係使用放射率比值進行測量，亦可稱為雙色模式(two-color mode)的高溫計。由於比率高溫計係在兩段不同但連續的測溫波長範圍下進行量測，僅須設定放射率比值，微小的放射率變化不會對溫度測量有顯著的影響，故可減少放射率調整的不便。再者，在利用比率高溫計測量待測物溫度時，即使待測物的面積小於測溫區域，但因為背景溫度對兩測溫波長範圍的測量具有相同的影響，背景溫度的影響可被抵消而忽略不計。決定比率高溫計之放射率比值的方法典型地係利用實驗決定放射率斜率(ε-slope)後進行調整。然而，前述方法的效率及準確性不佳，則比率高溫計亦無法準確地量測溫度。

因此，本發明提供一種檢測製程區域溫度的方法，其係利用實際測量並配合模擬計算，以獲得比率高溫計之單色模式及雙色模式的放射率及放射率比，進而檢測出製程區域的真實溫度。

請參閱圖1，其係繪示本發明一實施例之使用比率高溫計檢測製程區域溫度的方法100的流程圖。首先，進行步驟101，提供比率高溫計。此比率高溫計係藉由將待測物所發射的紅外線輻射能量轉換成電訊號，以獲得待測物的溫度。在一實施例中，比率高溫計係具有單色模式及雙色模式，其中單色模式根據放射率(emissivity)來進行檢測，而雙色模式則是根據放射率比(emissivity ratio)來進行檢 測。由於待測物的放射率係取決於其溫度，故在單色模式及雙色模式下，須分別設定準確的放射率及放射率比，則比率高溫計才能準確地量測溫度。一般而言，單色模式係在特定波長範圍內進行檢測。在一實施例中，比率高溫計的單色模式包含第一單色模式及第二單色模式，而第一單色模式及第二單色模式係分別在第一測溫波長範圍及第二測溫波長範圍中進行檢測。在一具體例中，第一測溫波長範圍為1450nm至1650nm，而第二測溫波長範圍為1650nm至1800nm。

接著，方法100繼續進行步驟103，對製程區域進行模擬計算，以獲得模擬溫度場，其中模擬溫度場係包含複數個模擬製程區域溫度。在一實施例中，此模擬計算係用於粉床熔融成型製程(Powder Bed Fusion Process)。在一具體例中，此模擬計算係用於選擇性雷射燒結製程(Selective Laser Sintering，SLS)或選擇性雷射熔化製程(Selective Laser Melting，SLM)。

請參閱圖2，其係繪示根據本發明一實施例之模擬計算方法200的流程圖，其中方法200係以選擇性雷射熔化製程為例。首先，進行步驟210，獲得關於此粉床的一組粉床參數資料。在一實施例中，粉床參數資料至少包含粉體粒徑分佈數值、粉層厚度數值、粉體的容器尺寸數值(即容器的長、寬及高)以及粉床材料性質。在一實施例中，粉床材料性質係包含粉床材料之熔點、沸點、熱傳導係數、比熱及密度。在一實施例中，粉床包含基材及粉層，且粉層包含 複數個粉體。

接著，方法200繼續進行步驟220，使用上述粉床參數資料，來進行粉床模擬操作，以獲得粉層之堆積密度(packing density)數值、粉體之座標值以及粉層之熱傳導係數(thermal conductivity)值。在一實施例中，步驟220係使用粉體粒徑分佈數值、粉層厚度數值、粉體的容器尺寸數值進行粉床模擬操作。在一實施例中，粉床模擬操作係利用矩陣實驗室(Matrix Laboratory，MATLAB)的數學軟體進行。MATLAB係用於演算法開發、資料視覺化、資料分析及數值計算的高階技術計算語言和互動式環境。

在一實施例中，粉床模擬操作係根據隨機落球模型(sequential addition model)來進行，隨機落球模型係模擬粉體連續地以垂直於粉床表面的方向落下並達到穩定狀態，其中穩定狀態包含當此粉體到達容器底部、當粉體位於容器壁及其他二個先沉積的粉體之間、當粉體位於二個容器壁及一個先沉積的粉體之間以及當粉體位於其他三個先沉積的粉體之間，且其他三個粉體所形成之三角形面積等於目標粉體與其中任二個先沉積的粉體所形成之三個三角形面積的總和。須理解的是，利用隨機落球模型模擬粉層的沉積係假設沉積過程為緩慢的製程，換言之，每一個粉體係自容器的頂部逐一落下，且每一個粉體係在前一個粉體達到前述穩定狀態後才開始落下。再者，此模擬係當粉層厚度等於容器高度時才停止。

藉由前述粉床模擬操作可獲得每一個粉體的體 積，並根據下式(I)計算粉層的堆積密度(p)。

在式(I)中，V_i係表示每一個粉體的體積，且V_c係表示容器的體積。

然後，根據下式(II)計算粉層的熱傳導係數值(λ_e)。

在式(II)中，λ_s係表示粉層主體材料的熱傳導係數，p係表示堆積密度，n係表示平均配位數(即每一個粉體周圍的粉體數目之平均值)，而x係表示接觸尺寸比(contact size ratio)，其中接觸尺寸比係粉體接觸點的端點距離相對於粉體半徑的比值。

然後，方法200繼續進行步驟230，獲得關於雷射源之一組第一雷射參數資料以及一組第二雷射參數資料。在一實施例中，第一雷射參數資料包含雷射光波長、雷射光束半徑及雷射光入射角，而第二雷射參數資料包含雷射功率、雷射光束半徑、雷射光入射角及雷射掃描速率。接著，進行步驟240，根據步驟230之第一雷射參數資料提供之雷射光波長以獲得粉體之折射率及基材之折射率。

接著，方法200繼續進行步驟250，使用在步驟220所獲得之粉體之座標值、步驟230獲得之第一雷射參數資料、步驟240獲得之粉體之折射率以及基材之折射率，來進行射線追蹤模擬操作，以獲得粉層的光吸收度資料。光吸收度資料為粉層之厚度對雷射源之平均雷射光吸收度。在一實施例中，射線追蹤模擬操作係利用Zemax的光學設計軟 體來進行。Zemax係用於光學系統設計，可模擬射線通過光學元件的傳播。在一實施例中，射線追蹤模擬操作為蒙地卡羅射線追蹤模擬法(Monte Carlo Ray Tracing Simulation)。在一實施例中，其雷射能量密度(q)可以下式(III)表示。

在式(III)中，P係表示雷射功率，r₀係表示雷射光半徑，而r係表示粉床表面至雷射光束中心的徑向距離。當雷射光束以特定速度v掃描粉床表面，並進行時間長度t時，式(III)以(x,y)座標的形式表示為下式(IV)。

由於每一次單一光束與粉體的接觸都會使入射光束分成吸收光束及散射光束。在吸收的機制中，雷射能量係被粉體及基材所吸收。換言之，上式(IV)中的能量僅有部分沿著粉層及基材的深度被吸收，因此，射線散射模擬的能量密度應表示為下式(V)。

在式(V)中，dA/dz係表示沿著粉層深度的光吸收度。

然後，方法200繼續進行步驟260，使用光吸收度資料、粉層之堆積密度數值、粉層之熱傳導係數值、雷射源之第二雷射參數資料及粉床材料性質，來進行熱傳模擬操作，以獲得具有模擬製程區域溫度的模擬溫度場。在一實施例中，模擬溫度場包含基材、粉層及熔池的溫度分佈。請參 閱圖3A，其係繪示根據本發明一實施例之熱傳模擬操作所獲得之基材、粉層及熔池的溫度分佈示意圖。熔池係指粉床中熔化的區域，請參閱圖3B，其係繪示沿著圖3A之A-A線的剖面示意圖，其中熔池316包含粉層312中溫度高於粉層熔點的第一區域316a及/或基材314中溫度高於基材熔點的第二區域316b。在一實施例中，熱傳模擬操作為有限元素熱傳模擬操作。在一實施例中，熱傳模擬操作係利用COMSOL Multiphysics及MATLAB進行。COMSOL Multiphysics是一種用於多物理場模擬的軟體，其係利用高性能計算及多場雙向耦合分析，以進行高精確度的數值模擬。在一實施例中，三維的熱傳導製程具有下式(VI)的關係式。

在式(VI)中，ρ係表示材料密度，c係表示材料比熱，T係表示溫度，t係表示作用時間，k係表示熱傳導係數。

須理解的是，若方法200中使用的粉床參數資料、第一雷射參數資料及/或第二雷射參數資料有變動，則必須重新進行模擬計算，再繼續進行方法100的以下步驟。舉例而言，若使用不同粒徑尺寸的粉體或不同厚度的粉層厚度，即改變粉床參數資料，故須重新進行方法200，以獲得新的模擬溫度場，始可接續進行方法100的步驟105。

請重新參閱圖1，方法100繼續進行步驟105，使用模擬溫度場並根據第一演算法，來計算出比率高溫計在單色模式中對製程區域進行檢測時應獲得的第一模擬溫度 值。根據上述模擬溫度場，可獲得製程區域中每一個節點的溫度。在一實施例中，製程區域為粉床熔融成型製程的熔池。對於比率高溫計在單色模式中的檢測，在比率高溫計的測溫區域中，所檢測之溫度若低於比率高溫計所能量測的最低溫度，則比率高溫計在進行溫度轉換時，會將此溫度以比率高溫計所能量測的最低溫度進行運算。因此，步驟105係使用一種與放射率無關的第一演算法計算第一模擬溫度值。第一演算法係如下式(1)。

在式(1)中，T_1C表示第一模擬溫度值，N_P為模擬溫度場之模擬測溫區域的節點數，N_HAZ為模擬溫度場之模擬製程區域的節點數，T₀為比率高溫計的設定溫度值(即上述之比率高溫計所能量測的最低溫度)。在一實施例中，比率高溫計的設定溫度值為1273K。T_HAZ為模擬製程區域內所有節點之溫度值的總和，可利用下式(2)計算出。在一實施例中，如圖3C所示，

換言之，請參閱圖3C，其係繪示根據本發明一實施例之測溫區域350與製程區域360的示意圖。以下利用圖3C說明第一演算法，比率高溫計的測溫區域350之面積係大於待測的製程區域360之面積，故測溫區域350的節點352包括製程區域360的節點362。製程區域360的每一個節點362的溫度[即上述式(2)之T_i]可根據上述獲得之模擬溫度場得知， 而測溫區域350中除了製程區域360以外的節點溫度則為比率高溫計的設定溫度，其中節點362的數目即上述之N_HAZ，測溫區域的節點352的數目即上述之N_P。補充說明的是，圖3C中的每一個格子係繪示以代表一個節點。

在一實施例中，模擬計算僅能獲得模擬製程區域的節點數(N_HAZ)，故模擬測溫區域的節點數(N_P)係藉由模擬製程區域之面積(例如圖3C中的製程區域360的面積)與模擬測溫區域之面積(例如圖3C中的製程區域350的面積)的比值所獲得，即根據下式(3)的關係式計算出。

在式(3)中，A_P為比率高溫計之模擬測溫區域的面積，A_HAZ為模擬製程區域的面積。在一實施例中，模擬測溫區域的面積須根據比率高溫計量測時的入射角及焦距進行修正。在一具體例中，比率高溫計量測時的入射角為45°。

接著，進行步驟107，使用比率高溫計對製程區域分別進行複數次第一檢測，來獲得複數個第一溫度，其中比率高溫計係在第一單色模式下進行檢測，並設定第一單色模式的放射率為第一放射率。在一實施例中，第一檢測係進行5次以上，較佳為5次至30次。在一實施例中，當第一檢測所獲得的複數個第一溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第一預設百分比時，設定所使用的第一放射率為第一放射率值。在一實施例中，平均誤差值係利用下式(4)計算。

在式(4)中，%係代表平均誤差值，T_k係代表檢測溫度(即第一溫度及以下的第二溫度、第三溫度)，T_1c係代表模擬溫度(即第一模擬溫度值及以下的第二模擬溫度值)，n係代表檢測所進行的次數。

在另一實施例中，當獲得的複數個第一溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值大於第一預設百分比時，疊代(Iteratively)調整第一放射率，並使用每次調整後的第一放射率為第一單色模式的放射率，以使用比率高溫計於第一單色模式中對製程區域進行第一檢測，重複前述步驟107直到所獲得之第一溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第一預設百分比為止。在一實施例中，第一預設百分比可為0%至5%，較佳為0%至3%。

然後，進行步驟109，使用比率高溫計對製程區域分別進行複數次第二檢測，來獲得複數個第二溫度，其中比率高溫計係在第二單色模式下進行檢測，並設定第二單色模式的放射率為第二放射率。在一實施例中，第二檢測係進行5次以上，較佳為5次至30次。在一實施例中，第一檢測的次數與第二檢測的次數可為相同或不同。在一實施例中，當獲得的複數個第二溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第一預設百分比時，設定所使用的第二放射率為第二放射率值。在另一實施例中，當獲得的複數個第二溫度與第一模擬溫度值的平均誤差大於第一預設百分比時，疊代調整第二放射率，並使用每次調整後的第二放射率為第二單色模式的放射率，以使用比率高溫計於第二單色模式中對 製程區域進行第二檢測，重複前述步驟109直到所獲得之第二溫度與第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第一預設百分比為止。

步驟107與步驟109的操作相似，即同樣使用比率高溫計於單色模式下對製程區域進行檢測，其差異僅為使用在不同測溫波長範圍的單色模式。藉由步驟107與步驟109，分別找出在第一單色模式及第二單色模式下，檢測溫度與第一模擬溫度匹配(即平均誤差值小於或等於預設百分比)的放射率，即上述之第一放射率值及第二放射率值。

接著，選擇性地進行步驟111，使用步驟103所獲得之模擬溫度場，並根據第二演算法，來計算出比率高溫計在雙色模式中對製程區域進行檢測時應獲得的第二模擬溫度值。由於當使用比率高溫計於雙色模式下進行檢測時，不具有在單色模式中測溫區域與製程區域之面積不同而存在的問題，換言之，沒有背景溫度造成測溫結果不準確的問題。因此，第二模擬溫度值(T_2C)即是藉由計算模擬製程區域中每一個節點之溫度的平均值，如下式(5)所示。

然後，選擇性地進行步驟113，使用比率高溫計於雙色模式中，對製程區域進行複數次第三檢測，以獲得複數個第三溫度，其中雙色模式的放射率比係設定為上述步驟109及步驟107中所分別獲得之第二放射率值及第一放射率值的比值。在一實施例中，第三檢測係進行5次以上，較佳為5次至30次。在一實施例中，當獲得的複數個第三溫度 與第二模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第二預設百分比時，則雙色模式的放射率比即為第二放射率值及第一放射率值的比值。在另一實施例中，當獲得的複數個第三溫度與第二模擬溫度值的平均誤差值大於第二預設百分比時，疊代調整第一放射率值及/或第二放射率值(即重新進行步驟107及/或步驟109)，並設定放射率比為調整後之第二放射率值及調整後之第一放射率值的新比值，以使用比率高溫計於雙色模式中對製程區域進行第三檢測，重複前述步驟113直到所獲得之第三溫度與第二模擬溫度值的平均誤差值小於或等於第二預設百分比為止。在一實施例中，第二預設百分比可為0%至15%，較佳為0%至10%。

接著，進行步驟115，使用比率高溫計於雙色模式中，並設定步驟113最終所獲得之比值為雙色模式的放射率比，以檢測製程區域溫度。在一實施例中，不進行選擇性步驟111及步驟113，直接使用步驟109與步驟107所獲得之第二放射率值與第一放射率值的比值做為雙色模式的放射率比，以進行步驟115。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

本實施例係進行選擇性雷射熔化製程之熔池溫度的檢測。首先，提供實驗的粉床材料為不鏽鋼316L粉末，粉層厚度為200μm，粉體粒徑分布為d₁₀=22.94μm，d₅₀=36.52μm，d₉₀=56.88μm。實驗的雷射光源參數包含 雷射光功率為15W，雷射光束半徑為60μm，掃描速度為0mm/s，雷射照射時間為0.1秒。

提供具有單色模式及雙色模式的比率高溫計(H322，Sensortherm GmBh，德國)，其中此比率高溫計的量測溫度範圍為1000℃至2500℃(即1273K至2773K)，測量點直徑為0.9mm至8.8mm。單色模式具有兩個測溫波長範圍，分別為1.45μm至1.65μm(第一單色模式)及1.65μm至1.80μm(第二單色模式)。雙色模式的測溫波長範圍為1.45μm至1.80μm。比率高溫計的焦距為600mm，入射角為45度。

接著，進行製程區域的模擬計算，模擬計算的製程參數包含雷射光功率為15W，雷射光束半徑為60μm，掃描速度為0mm/s，雷射照射時間為0.1秒，粉層尺寸為1200μm×1200μm×200μm，粉體材料為不鏽鋼316L粉末，材料熔點為1648K，且材料熔化熱為300kJ/kg。由模擬計算所獲得的模擬溫度場，得知熔池最高溫度為2525K，且溫度超過1273K的製程區域約為直徑760μm的圓形區域。根據模擬計算及上述第一演算法，獲得第一模擬溫度值為1325.9K。接著，根據上述的第二演算法，獲得第二模擬溫度值為1701.4K。另外，設定上述之第一預設百分比為3%，第二預設百分比為8%。

然後，利用比率高溫計的第一單色模式及第二單色模式分別對熔池進行十次溫度測量。以下表一記錄第一單色模式及第二單色模式的十次測量結果。圖4A係繪示根 據比率高溫計在第一單色模式下測量所獲得的第一溫度與第一模擬溫度值。如下表一及圖4A所示，第一溫度的平均值為1314.1K，計算第一溫度與第一模擬溫度值的第一平均誤差值為1.12%。由於第一平均誤差值小於第一預設百分比3%，故設定獲得之放射率0.64為第一放射率值。圖4B係繪示根據比率高溫計在第二單色模式下測量所獲得的第二溫度與第一模擬溫度值。如下表一及圖4B所示，第二溫度的平均值為1337.7K，第二溫度與第一模擬溫度值的第二平均誤差值為0.65%。由於第二平均誤差值小於第一預設百分比3%，故設定獲得之放射率0.7為第二放射率值。

接著，利用比率高溫計的雙色模式，並設定放射率比為第二放射率值(0.7)與第一放射率值(0.64)的比值1.093，對熔池進行十次溫度測量，所獲得的平均溫度為1681.5K。圖5係根據比率高溫計在雙色模式下進行測量之每次所獲得的第三溫度相對於第二模擬溫度值的關係。比較第三溫度與第二模擬溫度值，計算每次的誤差值，並以下表二記錄。由於十次測量的平均誤差值1.14%係小於第二預設百分比8%，且如表二所示，每一次測量的誤差值皆小於第二預設百分比。因此，所設定之放射率比值即為所求。

接著，利用所設定的放射率比值進行另一次溫度測量，以重複驗證放射率比值的準確性。使用與以上實驗相同的製程參數，差異僅為雷射光功率改為20W。同樣先進行模擬計算，由模擬溫度場得知熔池最高溫度為2865K，且溫度超過1273K的製程區域約為直徑1105μm的圓形區域。另外，計算第三模擬溫度值為1725K。

使用比率高溫計在雙色模式下，設定放射率比值為1.093，對熔池進行十次溫度測量，所獲得的平均溫度為1802.7K。圖6係根據比率高溫計在雙色模式下進行測量之每次所獲得的第四溫度相對於第三模擬溫度值的關係。比較第四溫度與第三模擬溫度值，並計算每次的誤差值，並以下表三記錄。十次測量的平均誤差值為4.27%，仍是小於設定的第二預設百分比8%，故放射率比值1.093確實可設定為比率高溫計之雙色模式的放射率比，以用於檢測熔池溫度。

根據以上實施例，本發明提供之檢測製程區域溫度的方法使用模擬計算及與放射率無關的演算法，獲得模擬溫度，並使用比率高溫計之二種單色模式進行測量，以分 別找出第一放射率值及第二放射率值。設定第二放射率值與第一放射率值的比值為比率高溫計之雙色模式的放射率比值，以檢測製程區域溫度。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (10)

1. 一種檢測製程區域溫度的方法，包含：提供一比率高溫計，其中該比率高溫計具有一單色模式及一雙色模式，該單色模式包含一第一單色模式及一第二單色模式，該第一單色模式及該第二單色模式係分別在一第一測溫波長範圍及一第二測溫波長範圍中進行檢測，該單色模式係根據一放射率來進行檢測，而該雙色模式係根據一放射率比來進行檢測；對一製程區域進行一模擬計算，而獲得具有複數個模擬製程區域溫度的一模擬溫度場；使用該模擬溫度場並根據一第一演算法，來計算出該比率高溫計在該單色模式中對該製程區域進行檢測時應獲得的一第一模擬溫度值；分別設定該放射率為一第一放射率及一第二放射率，並分別使用該比率高溫計於該第一單色模式及該第二單色模式中，對該製程區域分別進行複數次第一檢測及複數次第二檢測，來獲得對應至該第一放射率的複數個第一溫度及對應至該第二放射率的複數個第二溫度，當該些第一溫度與該第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於一第一預設百分比時，設定該第一放射率為一第一放射率值；當該些第二溫度與該第一模擬溫度值的平均誤差值小於或等於該第一預設百分比時，設定該第二放射率為一第二放射率值；當該些第一溫度及/或該些第二溫度與該第一模擬溫 度值的平均誤差值大於該第一預設百分比時，疊代(Iteratively)調整該第一放射率及/或該第二放射率，並使用每次調整後之該第一放射率及/或該第二放射率為該放射率，以使用該比率高溫計於該第一單色模式及/或該第二單色模式中對該製程區域再分別進行該些第一檢測及/或該些第二檢測，直到新獲得之該些第一溫度及/或該些第二溫度與該第一模擬溫度值之平均誤差值小於或等於該第一預設百分比為止；以及設定該第二放射率值及該第一放射率值的一比值為該放射率比，並使用該比率高溫計於該雙色模式中，檢測該製程區域溫度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第一預設百分比係實質介於0%至5%之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第一演算法之複數個參數包含該模擬溫度場之一模擬測溫區域之一第一節點數、該模擬溫度場之一模擬製程區域之一第二節點數、該些模擬製程區域溫度及該比率高溫計之一設定溫度值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第一節點數與該第二節點數之一比值係等於該模擬測溫區域之一第一面積及該模擬製程區域 之一第二面積的一比值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第一面積係利用該比率高溫計之一入射角及一焦距進行修正。
6. 如申請專利範圍第1項所述之檢測製程區域溫度的方法，在進行該檢測該製程區域溫度之操作前，更包含：使用該模擬溫度場並根據一第二演算法，來計算出該比率高溫計在該雙色模式中對該製程區域進行檢測時應獲得的一第二模擬溫度值，其中該第二演算法與該第一演算法不同；以及設定該放射率比為該第二放射率值及該第一放射率值的一比值並使用該比率高溫計於該雙色模式中，對該製程區域進行複數次第三檢測，來獲得複數個第三溫度；當該些第三溫度與該第二模擬溫度值的平均誤差值小於或等於一第二預設百分比時，該放射率比即為該比值；當該些第三溫度與該第二模擬溫度值的平均誤差值大於該第二預設百分比時，疊代調整該第一放射率值及/或該第二放射率值，以設定該放射率比為調整後之該第二放射率值及調整後之該第一放射率值的一新比值，並使用該比率高溫計於該雙色模式中，對該製程區域進行該些第三檢測，直到新獲得之該些第三溫度與該第二模擬溫度值之平均誤差值小於或等於該第二預設百分比為止。
7. 如申請專利範圍第6項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第二預設百分比係實質介於0%至15%之間。
8. 如申請專利範圍第6項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該第二演算法之複數個參數包含該模擬溫度場之一模擬製程區域之一節點數及該些模擬製程區域溫度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該模擬計算係用於一粉床熔融成型製程，且該模擬計算包含：提供關於一粉床之一組粉床參數資料，其中該粉床包含一基材及一粉層，該粉層包含複數個粉體，且該組粉床參數資料包含一粉體粒徑分佈數值、一粉層厚度數值、一粉體容器尺寸數值以及一粉床材料性質；使用該組粉床參數資料，來進行一粉床模擬操作，以獲得該粉層之一堆積密度數值、該些粉體之複數個座標值以及該粉層之一熱傳導係數值；獲得關於一雷射源之一組第一雷射參數資料以及一組第二雷射參數資料，其中該組第一雷射參數資料包含一雷射光波長、一雷射光束半徑及一雷射光入射角，而該組第二雷射參數資料包含一雷射功率、該雷射光束半徑、該雷射光入射角及一雷射掃描速率； 根據該組第一雷射參數資料獲得該些粉體之一第一折射率及該基材之一第二折射率；使用該些粉體之該些座標值、該第一折射率、該第二折射率及該雷射源之該第一雷射參數資料，來進行一射線追蹤模擬操作，以獲得該粉層之一光吸收度資料，其中該光吸收度資料為該粉層之一厚度對該雷射源之平均光吸收度；以及使用該光吸收度資料、該堆積密度數值、該熱傳導係數值、該雷射源之該第二雷射參數資料及該粉床材料性質，來進行一熱傳模擬操作，以獲得該模擬溫度場，其中該模擬溫度場包含該基材、該粉層及一熔池的溫度分佈，該熔池包含該粉層中溫度高於該粉層之一熔點的一第一區域及/或該基材中溫度高於該基材之一熔點的一第二區域。
10. 如申請專利範圍第9項所述之檢測製程區域溫度的方法，其中該製程區域為該熔池。