Page 135 - 无损检测2024年第九期

颜江涛，等：

金属增材制造检测技术与质量控制研究进展

获空气声发射信号，由光电二极管收集过程中波长 重的地位，能真正意义上实现在线检测的闭环。闭
为500~1 700 nm的光强信号，提出了一种多传感器 环质量控制的原理是通过在线传感实时监测成形过
特征融合方法，将采集到的传感数据依据质量水平划 程，当传感数据出现异常或者偏离设定阈值时，利
分为三类并输入卷积神经网络，与基于单一传感器的 用合适的控制算法调整工艺参数以纠正成形质量问
方法相比，显著提高了分类准确率且分类时间仅为 题。由于金属增材制造过程是多变量、非线性的复
1. 43 ms。南京理工大学张凯团队 [51] 开发了如图10所 杂强耦合过程，所以采用恒定参数的控制器很难实
示的集成光电二极管和高速摄像机的原位监测系统， 现长期稳定控制，已有学者采用模糊控制、预测控
熔池光强和熔池面积的组合监测能有效捕捉粉末厚 制、迭代学习控制等高自适应性控制方案实现闭环
度在30~300 μm间变化引起的粉末熔化状态变化， 采 工艺调控，采取的在线传感手段主要为红外监测和
用平均强度和标准偏差的统计分析方法成功识别传 可见光监测。对于定向能量沉积工艺，主要采用材
导模式、表面球化和未熔合缺陷。 料供给速度作为控制参数。对于粉末床熔融工艺，
由于打印过程非常快速，需要高速传感和高速实时
数据传输以实现高速反馈控制，目前主要采用激光
功率作为高速实时控制的参数。
定向能量沉积工艺的闭环质量控制主要用于调
节熔池形态和成形尺寸精度。清华大学都东团队 [52]
设计了基于模糊PID控制器的双电子束熔池长度闭
环控制系统，该系统用相机监测TiNb合金打印过程
中的熔池形态，以熔池长度为控制对象，以模糊化、
模糊推理和去模糊化后的调整PID参数为控制器输
出，有效控制熔池长度符合预期，在干扰测试中表现
出良好的鲁棒性。西南交通大学熊俊团队 [53] 开发了
层宽控制单神经元控制器，以打印层宽为控制对象，
以焊枪的行进速度为控制器输出，控制最佳打印层
宽在6~9 mm。西安交通大学杨飞团队 [54] 提出了一
种基于电信号传感的高度提升控制和迭代学习控制
图 10 多传感融合监测系统 器结合的双控制方法，通过调节沉积高度和送丝速
上述金属增材制造的在线检测技术能捕获成形 度共同控制电弧电压，提高了CuCrZr薄壁结构成形
过程的时空演变特征，及时发现缺陷，对于解决过程 高度的稳定性和成形质量，也提高了材料和能源利
中的风险和防范未来可能存在的危险有重要意义。 用率。澳大利亚伍伦贡大学XIA等 [55] 选择送丝速度
机器学习在增材制造领域有广阔的应用前景，融合 为控制参数，利用模型预测控制器来控制ER70S6钢
机器学习的智能检测技术能实现增材制造过程中的 的打印层宽，验证了该控制器鲁棒性优于传统PID
缺陷自动分类识别。红外、可见光、X射线、声学监 控制器鲁棒性。粉末床熔融工艺的闭环质量控制在
测结果呈现形式不同，在选择监测技术时应根据检 缺陷控制和成形尺寸精度方面也取得了良好成果，
测需求和检测对象有所侧重。选择合适的监测技术 加拿大麦克马斯特大学REZAEIFAR等 [56] 利用红
可以提高检测效率和精度，也可考虑多传感融合监 外热像仪确定IN625合金打印过程中不同孔隙缺陷
测技术以获取更全面的过程数据，从而更好地指导 对应的温度范围，结合PID控制器逐层调节激光功
质量控制。 率将熔池温度控制在安全范围内以获得质量优良的
成形件。弗吉尼亚理工大学WANG等 [57] 在激光粉
3 闭环质量控制
末床熔融设备上集成了热传感和PID控制系统，将
金属增材制造闭环质量控制是传感技术和控制 成形尺寸偏差与熔池热辐射相关联，通过自适应调
技术的有机结合，在帮助制件设计与工艺技术的提 节激光功率避免了激光功率不足导致的表面球化缺
升、有效提高增材制件的性能与质量方面有举足轻 陷、高粗糙度以及激光功率过大导致的表面驼峰和
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2024 年 第 46 卷 第 9 期
无损检测