綜述：激光增材再制造所面臨的挑戰(zhàn)(３)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

本文為大家展示激光增材再制造過程中所面臨的問題，并從不同角度對(duì)其進(jìn)行了闡述，還討論了深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生等工具的應(yīng)用。為第三部分。

Zhang等人使用CNN來預(yù)測氣孔的氣孔率，該預(yù)測是基于DED是一個(gè)同軸的高速數(shù)字相機(jī)所捕獲的圖像而實(shí)現(xiàn)的，見圖26。該預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確率可以達(dá)到91.2%。此外，Razvi等人還使用CNN進(jìn)行圖像的數(shù)據(jù)處理。Yuan

等人發(fā)展了一個(gè)以CNN為基礎(chǔ)的模型來通過PBF過程中熔池的視頻數(shù)據(jù)來預(yù)測熔覆道的寬度和熔覆道次的連續(xù)性。

離軸ＣＭＯＳ相機(jī)工作在可見光的工作區(qū)間，被Ｇｒａｓｓｏ等人用于捕獲制造層。他們采用ＰＣＡ進(jìn)行特征提取，并使用K均值串分析進(jìn)行缺陷的自動(dòng)探測。Ｙｅ等還監(jiān)測了SLM過程中的羽化現(xiàn)象和飛濺信號(hào)，使用的是IR相機(jī)。他們對(duì)比了ＭＰＬ－NN和CNN以及DBN之間的精度的分類。DBN優(yōu)于MLP-NN，ＣＮＮ用于監(jiān)控和控制SLM的工藝過程。

Ｋｈａｎｚａｄｅｈ等人使用組織圖來進(jìn)行熔池的分串、ＣＭＯＳ相機(jī)探測器用于配備雙波長高溫計(jì)，以及紅外相機(jī)用來捕獲DED過程中的熔池信號(hào)。

Zhang等人使用離軸的IR相機(jī)來收集DED過程中的熔池溫度用于數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。他們使用兩種不同的機(jī)器學(xué)習(xí)手段來預(yù)測基于加工參數(shù)的變化時(shí)的熔池溫度。他們的研究結(jié)果證明在SLM時(shí)具有較好的預(yù)測精度。

４.３.６激光沉積時(shí)變化的控制

沉積過程的穩(wěn)定性和精確性可以通過控制機(jī)理并結(jié)合監(jiān)控技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。控制機(jī)理則極力最小化設(shè)置點(diǎn)和測量的工藝信號(hào)之間的誤差，通過調(diào)整輸入的工藝參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。激光功率、掃描速度和材料的添加速率（對(duì)PBF來說就是每層粉末的厚度、對(duì)送絲來說就是送絲的速率、對(duì)DED送粉來說就是粉末的輸送速率）是最主要的影響參數(shù)，經(jīng)常用來作為控制工藝的輸出。這一控制可以是直接的，也可以是間接的。在直接控制時(shí)，主要控制監(jiān)測的工藝信號(hào)，而輸出幾乎是同一的。然而，在非直接控制時(shí)，輸出結(jié)果的控制取決于監(jiān)控信號(hào)和系統(tǒng)輸出的相關(guān)性，見圖27所示。

圖27 Examples of (a) Indirect, and (b) Direct control.

為了使控制機(jī)理發(fā)揮出最大的效用，工藝參數(shù)和輸出變量（直接控制時(shí)）之間的相關(guān)性或基于工藝參數(shù)的監(jiān)控工藝和輸出。變量之間的變化應(yīng)當(dāng)首先知曉（對(duì)非直接控制來說）。

經(jīng)常的，ＰＩＤ或ＰＩ控制器以及他們的擴(kuò)散功能結(jié)合輸出系統(tǒng)用來控制激光沉積的過程中的質(zhì)量控制�；�于預(yù)期建立了一個(gè)反饋系統(tǒng)。基于反應(yīng)的反饋系統(tǒng)是基于工藝模型的數(shù)值化來實(shí)現(xiàn)的，并且需要有相關(guān)工藝擾動(dòng)的相關(guān)知識(shí)。使用沉積工藝控制制造高精度的薄壁墻，在當(dāng)前仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，這是因?yàn)橹圃爝^程中的溫度梯度的非均勻性和熱積累。Ｂｉ等人使用ＰＩＤ為基礎(chǔ)的控制器來基于熔池溫度來控制激光功率。Ｂｉ等人應(yīng)用ＳＩＳＯ，使用ＰＩＤ為基礎(chǔ)的控制器來調(diào)節(jié)激光功率，激光功率的變化是基于熔池的溫度變化而實(shí)現(xiàn)的。他們使用基于設(shè)定的數(shù)值來調(diào)節(jié)激光功率，可以很好的控制薄壁墻的成型精度。


相似的，Ｈｕ和Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ使用同軸紅外相機(jī)獲得熔池的面積，并且用來建立閉環(huán)控制。輸入的激光功率的變化由此實(shí)現(xiàn)了控制。閉環(huán)控制得到的沉積層具有更好的尺寸精度。

Ｆａｒｓｈｉｄｉａｎｆａｒ等人使用紅外為基礎(chǔ)的熱影響系統(tǒng)來監(jiān)控熔池溫度和冷卻速率。閉環(huán)控制的PID控制器整合在一起來通過調(diào)節(jié)激光器掃描速度來控制冷卻速率。基于ＬＡｂＶＩＥＷ為基礎(chǔ)的ＰＩＤ控制器發(fā)展起來用于離軸LMD時(shí)的溫度控制器。Ｄｉｎｇ等人使用紅外影像裝置來監(jiān)控熔池的尺寸。通過調(diào)節(jié)激光功率，可以實(shí)現(xiàn)在增材時(shí)得到均勻的熔池尺寸。沉積層的厚度也可以通過控制PID為基礎(chǔ)的控制器來實(shí)現(xiàn)控制。ＰＩＤ的控制是采用一個(gè)知識(shí)為基礎(chǔ)的模型，使用一個(gè)ＣＣＤ相機(jī)作為反饋裝置。激光脈沖能量通過調(diào)節(jié)能量的輸入來進(jìn)行控制。閉環(huán)控制的應(yīng)用效果通過兩種不同激光吸收行為的基材（噴砂和表面光亮的）吸收效果來評(píng)估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)閉環(huán)控制可以在光亮表面的基材上實(shí)現(xiàn)能量的補(bǔ)償。然而，在光亮表面的基礎(chǔ)上熔覆時(shí)，熔覆層會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)的狀態(tài)，這主要是由于低的控制循環(huán)速率、工藝過程的反應(yīng)時(shí)間較長和激光系統(tǒng)的原因。

PI為基礎(chǔ)的控制器也可以用來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過變化激光功率來實(shí)現(xiàn)熔池形狀的穩(wěn)定性。通過閉環(huán)控制，他們可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積波浪的控制。ＣＭＯＳ相機(jī)在具有幀率為１５０ｆｐｓ時(shí)，同軸來監(jiān)控熔池。PI控制器的反饋用于熔池的閉環(huán)控制。在這一研究中，激光功率作為輸入控制的變量。

Ｃｈａｋｒａｂｏｒｔｙ和Ｄｕｔｔａ發(fā)展了一個(gè)線性衰退模型，該模型基于能量平衡來評(píng)估基于熔覆層形狀（高度、寬度）所非線性相關(guān)的稀釋率來進(jìn)行評(píng)估的。這一研究排除了粉末流速的不規(guī)則性和邊緣效應(yīng)的影響。他們的研究結(jié)果證實(shí)，發(fā)展的模型可以用來利用LMD，利用熔覆層形狀作為監(jiān)控變量來控制稀釋率。其中激光功率和掃描速度也相應(yīng)的變化。進(jìn)一步的，Ｃａｏ和Ａｙｅｌｅｗ利用ＭＩＭＯ技術(shù)來實(shí)現(xiàn)理想的熔覆層和熱性能。他們提出了一種多變量的預(yù)測控制手段。熔池溫度、沉積層厚度的控制同時(shí)可以調(diào)節(jié)激光功率、掃描速度來實(shí)現(xiàn)。他們同時(shí)也認(rèn)為其可能的擾動(dòng)是激光吸收率和粉末獲取效率的原因。

４.３.７數(shù)字孿生
層層堆積的參數(shù)優(yōu)化經(jīng)常是通過試錯(cuò)法進(jìn)行的。由于這種方法耗費(fèi)大量的能量、材料和時(shí)間，所以數(shù)字孿生就成為一種革新的實(shí)現(xiàn)一種具有真實(shí)的物理世界的數(shù)字化呈現(xiàn)。包括設(shè)計(jì)、構(gòu)建以及測試目標(biāo)的可視性。然而，該技術(shù)并不是替代實(shí)驗(yàn)，而是用于縮小實(shí)驗(yàn)的窗口范圍，并由此減少試錯(cuò)的時(shí)間。數(shù)字孿生是工業(yè)４.０中的一個(gè)非常有價(jià)值的工具，并且可以對(duì)工藝過程或服務(wù)或產(chǎn)品系統(tǒng)或物理目標(biāo)的形狀、材料和行為進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)字化呈現(xiàn)。數(shù)字孿生多用來理解和預(yù)測目標(biāo)的性能，是通過多物理模擬、數(shù)據(jù)加工和機(jī)器學(xué)習(xí)等實(shí)現(xiàn)的。由此可以節(jié)省發(fā)展物理模型的必要。這就使得數(shù)字孿生就成為理解和發(fā)展工藝或服務(wù)產(chǎn)品系統(tǒng)或物理目標(biāo)的一個(gè)重要的工具。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型（黑匣子）和物理為基礎(chǔ)的模型（白匣子）結(jié)合在一起形成灰匣子模型或數(shù)字孿生，該技術(shù)在增材制造中的重要的效果見圖30所示。白匣子模型，基于物理過程的現(xiàn)象不適合過程的不確定性。而黑匣子模型則依靠原位探測所獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以捕獲過程的不確定性。然而，它理解工藝過程的特定的不確定性的能力是有限的。這一有限性限制了模型為基礎(chǔ)的校正工藝，這是因?yàn)樗�并不知道如何支撐工藝到無缺陷的狀態(tài)，在觀察到任何不規(guī)則時(shí)，兩個(gè)模型結(jié)合在一起可以減少總體的錯(cuò)誤和提高性能。

圖28 Front view of the (a) deposited wall, and (b) magnification of edge

圖 29 Single bead wall: (a), (b) made without control, and (c), (d) made with control

圖30  Concept of Digital Twin or Gray box model

圖31為計(jì)算得到的沉積層同實(shí)驗(yàn)所得到結(jié)果的對(duì)比。

圖 the application of Blockchain in the phases of the AM process of building a digital twin

A vision for digital twin enabled additive manufacturing

５.結(jié)論
基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)，激光為基礎(chǔ)的再制造大多數(shù)使用激光沉積技術(shù)，且多為同軸送粉進(jìn)行精確控制。盡管目前在沉積層的形狀的監(jiān)控和控制上取得了一定的進(jìn)展，再制造的質(zhì)量目前仍然是一個(gè)問題。為了解決這個(gè)問題，后加工和檢測就在大多數(shù)情況下仍然是必須的。數(shù)字孿生技術(shù)可以減少試錯(cuò)的過程，從而找出適宜的參數(shù)并結(jié)合多物理場為基礎(chǔ)的模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)傳感數(shù)據(jù)等來實(shí)現(xiàn)。然而，這一技術(shù)仍然處于初級(jí)階段。隨著減少－再利用－再循環(huán)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)應(yīng)氣候的挑戰(zhàn)，將繼續(xù)得到關(guān)注，更多的研究會(huì)傾向于激光再制造。這是因?yàn)樵摷夹g(shù)的準(zhǔn)確性、精度等。結(jié)合在線監(jiān)測和控制技術(shù)，將會(huì)使激光再制造技術(shù)的份額越來越大。

文章來源：Addressing the challenges in remanufacturing by laser-based material deposition techniques，Optics & Laser Technology，Volume 144, December 2021, 107404，https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107404

參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.06.039
https://doi.org/10.1007/978-981-19-9205-6_36
https://doi.org/10.1016/j.compind.2019.04.011