蘇州大學激光加工中心

蘇州工業(ye) 園區激光產(chan) 業(ye) 創新聯盟協會(hui)

江蘇省激光產(chan) 業(ye) 技術創新戰略聯盟

近年來各國高度關注的激光增材製造技術（俗稱3D打印）能夠在無需任何模具和工件的條件下，根據計算機三維模型，通過激光逐層熔化成形的方式，實現複雜零件直接近淨成形。該技術具有製造周期短、材料利用率高、工藝柔韌性好等獨特優勢，對製造產業產生了重要影響，在工業生產，航空航天，醫學醫療等諸多領域有著廣泛且重要的應用。然而，諸多技術上的挑戰阻礙了激光增材製造技術的廣泛應用和發揮它擁有的巨大潛力，其中最大的一個障礙就是最終產品的質量檢測，尤其是對產品質量有著極高要求的領域如航空航天和醫學醫療領域，因此需要對激光增材製造過程進行監測和控製。通過對製造過程進行監控，以減少缺陷的產生，提高產品的尺寸精度和力學性能，最終達到提高產品質量的目的。

目前很多國內(nei) 外的研究人員在如火如荼地對激光過程監控進行研究，他們(men) 研究出了很多能對激光增材製造過程進行監控的係統，這些係統隻要集中在對熔池的物理參數進行在線檢測和對組件的缺陷進行檢測並且通過反饋控製減少這些缺陷上。激光監控過程主要分為(wei) 兩(liang) 個(ge) 部分，一個(ge) 是數據采集，一個(ge) 是數據處理。數據采集主要有兩(liang) 個(ge) 部分，熔池形貌和熔池溫度，熔池形貌一般是通過CCD相機或紅外相機得到，熔池溫度一般是通過光電二極管或高溫計測得。數據處理是指將測得到的數據經加工後傳(chuan) 送給控製器，由控製器對係統的運行參數進行配置更新，對係統的運行過程進行有效的控製，從(cong) 而使產(chan) 品的質量得到提高。值得注意的是控製器使用的控製方法有多種，有傳(chuan) 統的PID控製，有模糊控製，還有人工智能控製如神經網絡控製等，目前使用最為(wei) 成熟的是傳(chuan) 統PID控製，目前研究的熱點是各種人工智能控製方法。

下麵介紹一個(ge) 具體(ti) 控製係統的工作過程及結果，實驗過程是一個(ge) 激光金屬沉積實驗，目的是通過控製使產(chan) 品的外形精度得到提高。圖1是一個(ge) 激光金屬沉積實驗過程圖，通過實驗可以發現產(chan) 品的外形尺寸精度與(yu) 製造過程中的熱輻射信號有很大的關(guan) 係，當熱輻射信號保持不變時，熔池的尺寸基本不變，熔池尺寸的穩定會(hui) 提高產(chan) 品外形的尺寸精度。圖2是激光金屬沉積監控過程圖，該過程使用了自適應PID控製方法，測量的得到的熱輻射信號輸入到自適應PID控製器，控製器輸出控製信號，控製信號作用到激光發射器，調節激光功率使熱輻射信號強度保持基本不變。

 

熔池的外形尺寸和熱輻射溫度如圖3和圖4所示，對比這兩(liang) 個(ge) 圖可以看出使用了控製係統的過程的熱輻射信號相對穩定，基本保持在設定值2，對應的熔池的尺寸也穩定，熔池最大與(yu) 最小相差0.1mm；未使用控製係統的過程的熱輻射信號增大，對應的熔池尺寸增大，熔池最大與(yu) 最小相差1.27mm。

產(chan) 品的宏觀形貌圖如圖5和圖6所示，對比這兩(liang) 個(ge) 圖可以明顯看出使用了控製係統的產(chan) 品表麵更加光滑，高度和寬度更加均勻，寬度的變化從(cong) 63.6%下降到12.5%，可見這個(ge) 自適應控製係統達到了提高產(chan) 品外形精度的目的。

當然這隻是激光監控過程的其中一個(ge) 應用，針對不同的目標，如減少產(chan) 品的缺陷，提高產(chan) 品的疲勞強度和各種力學性能等等，研究人員提出了各種的控製係統和控製方法。

圖5 未使用控製係統的產(chan) 品宏觀形貌         圖6 使用了控製係統的產(chan) 品宏觀形貌

 

    目前的研究表明由於(yu) 實現控製係統和生產(chan) 過程的集成十分複雜、測量工具與(yu) 傳(chuan) 感器的局限、實時控製的難以實現等因素，許多的係統尚未在實際工業(ye) 生產(chan) 過程中應用，該研究尚處於(yu) 發展階段，相信在不久的將來，隨著研究的不斷的深入，激光增材製造監控技術得到更成熟的發展和實際的應用。