郭立杰，許偉春，齊超琪，任 斐，封小松，趙 凱，郝云波

（1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245；2.上海復(fù)雜金屬構(gòu)件增材制造工程技術(shù)研究中心，上海 200245；3.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

增材制造作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表，與傳統(tǒng)制造工藝相比，一方面可以實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造，另一方面憑借其快速非平衡凝固行為［1-2］，有望實(shí)現(xiàn)材料的高性能化，具有快頻響、低成本、數(shù)字化、自動(dòng)化、個(gè)性化等優(yōu)勢，已成為全球先進(jìn)制造業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)學(xué)科方向［3］。2021 年1 月，美國以國防需求為牽引，發(fā)布了首個(gè)綜合性《增材制造戰(zhàn)略》報(bào)告，將增材制造視為實(shí)現(xiàn)國防戰(zhàn)略保障的強(qiáng)有力科創(chuàng)技術(shù)。西安交通大學(xué)盧秉恒院士在《增材制造技術(shù)——現(xiàn)狀與未來》一文中也指出［3］發(fā)展自主創(chuàng)新的增材制造技術(shù)是我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”跨越的必由之路。

目前關(guān)于增材制造技術(shù)的研究十分廣泛而深入，已有多位知名學(xué)者對(duì)已有研究作了文獻(xiàn)綜述?，F(xiàn)有關(guān)于增材制造的綜述主要側(cè)重于不同原材料可適性分析［4-6］、不同增材制造工藝技術(shù)特點(diǎn)［7-8］、增材制造構(gòu)件性能分析與控制［9-10］、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化［11-12］、產(chǎn)品服役場景介紹［13-15］，進(jìn)而總結(jié)現(xiàn)有增材制造技術(shù)的發(fā)展概況并提出挑戰(zhàn)［16-17］。而在其發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)中常提到的就是對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究、材料-工藝-設(shè)備等配套步驟的跟進(jìn)、與減材-智能化-數(shù)字化等多元技術(shù)的融合、增材產(chǎn)品形性質(zhì)量的把控。

鑒于現(xiàn)有增材過程中普遍存在質(zhì)量穩(wěn)定性與工藝匹配度不高的問題，同工況-裝備-工藝-材料下制備的結(jié)構(gòu)件良莠不齊［18-19］。原因在于金屬增材制造是涉及材料、結(jié)構(gòu)、多重物理化學(xué)場的多因素-多層次-跨尺度耦合的極端復(fù)雜系統(tǒng)，因此，增材制造過程的材料-工藝-組織-性能關(guān)系難以精準(zhǔn)把控。針對(duì)以上問題，亟待引入過程監(jiān)測與閉環(huán)控制技術(shù)的概念，開發(fā)具有自感知-自診斷-自決策-自控制的形性調(diào)控技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)增材制造材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和服役效能的跨越式提升，進(jìn)一步構(gòu)建完善的工藝質(zhì)量管控體系是未來增材制造的優(yōu)先發(fā)展方向。

隨著聲-光-電信息監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，在線監(jiān)測技術(shù)逐步應(yīng)用于增材制造的過程監(jiān)測數(shù)據(jù)收集與處理［20-21］。以EOS 公司為例，開發(fā)了一套基于實(shí)時(shí)熱成像與AI 預(yù)測的圖像處理軟件，根據(jù)虛實(shí)對(duì)比結(jié)果判斷正常/異常情況，據(jù)此判別是否停止打印，達(dá)到節(jié)省材料與時(shí)間成本的目的。GE 航空公司的Spears 等［22］聚焦于選區(qū)激光熔化技術(shù)，從粉末性能監(jiān)測、聲信息檢測、粉床檢測、機(jī)器視覺監(jiān)測等方面對(duì)增材制造過程中的在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并在展望中指出基于在線監(jiān)測技術(shù)延伸的閉環(huán)控制技術(shù)也至關(guān)重要。在此之后，諸多學(xué)者也對(duì)增材制造熔池監(jiān)測［23］、缺陷表征［24］、尺寸監(jiān)測［25］等方面進(jìn)行了詳細(xì)綜述。然而，前述要實(shí)現(xiàn)以形性為靶向的增材過程參數(shù)自主修正，不僅需要在線監(jiān)測，還涉及增材制造全流程的閉環(huán)控制。發(fā)展面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)具有重要意義［26］。

鑒于增材制造技術(shù)在先進(jìn)制造業(yè)中的巨大優(yōu)勢和形性難以調(diào)控的痛點(diǎn)，促進(jìn)金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展，本文從增材過程信息感知（如溫度信息、變形信息、缺陷信息）、增材工藝優(yōu)化決策（如激光功率、沉積層高度、掃描速度）、多目標(biāo)同步優(yōu)化控制三方面，詳細(xì)闡述金屬增材制造過程在線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與技術(shù)進(jìn)展，具體框架如圖1 所示。結(jié)合航空航天增材制造重大實(shí)際需求，提出了高性能結(jié)構(gòu)件增材成形過程中工藝變量-過程參量-成形質(zhì)量調(diào)控方法，并就未來增材制造技術(shù)監(jiān)測與控制的研究方向作出思考與展望，以期為本領(lǐng)域相關(guān)研究提供一些參考。

圖1 框架圖Fig.1 Framed illustration

1 金屬增材過程信息感知技術(shù)

傳感技術(shù)的迅速發(fā)展與快速升級(jí)為增材質(zhì)量可靠性和制造可重復(fù)性提供關(guān)鍵保障，該技術(shù)具有如下典型特征：通過視覺信息、聲信息、電參信息等過程監(jiān)測信息，能獲取成形過程溫度、形狀尺寸、缺陷等關(guān)鍵參量，有別于現(xiàn)有增材手段采用模擬的方法對(duì)過程關(guān)鍵參量進(jìn)行預(yù)測，直觀數(shù)據(jù)獲取更為精準(zhǔn)且便于調(diào)控。

1.1 金屬增材熔池溫度監(jiān)測技術(shù)

熔池溫度作為增材制造成型件質(zhì)量的重要影響因素之一，反映了增材過程的熱累積，溫度過高則會(huì)造成駝峰、流淌等問題，溫度過低則會(huì)導(dǎo)致氣孔、未熔合等缺陷產(chǎn)生，為了通過過程參量控制實(shí)現(xiàn)增材質(zhì)量的精確調(diào)控，有必要對(duì)熔池溫度施加過程監(jiān)測。獲取熔池溫度信息的方法可以分為接觸式測量和非接觸式測量?，F(xiàn)階段，用于熔池溫度監(jiān)測的接觸式溫度傳感器主要有熱電偶等。非接觸式溫度傳感器主要有高溫計(jì)［26-27］、高速相機(jī)［28-29］、紅外熱像［30-31］等，各類溫度監(jiān)測工具對(duì)比如表1所示。

表1 不同熔池溫度監(jiān)測工具對(duì)比［23］Table 1 Comparison of different molten pool temperature monitoring tools［23］

在上述3 種監(jiān)測工具中，雖然熱電偶的溫度檢測精度最高，但是Segerstark 等［32］發(fā)現(xiàn)熱電偶受到激光熔化沉積（LMD）制造過程中高強(qiáng)度熱輻射作用會(huì)出現(xiàn)明顯過熱并失效，雖然提出了一種保護(hù)片測量溫度的方法，但是峰值溫度依然存在10%左右的誤差。鑒于其誤差較大且不利于動(dòng)態(tài)監(jiān)測的特點(diǎn)，顯然不適用于以激光、電弧、電子束為熱源的金屬增材制造過程熱監(jiān)測以及后續(xù)的實(shí)時(shí)溫度把控。相較而言，用于增材制造過程測溫的單點(diǎn)高溫計(jì)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對(duì)成熟，采集頻率和測量精度能滿足在線測溫需求，但是該方法無法獲取熔池溫度分布且溫度區(qū)域小。針對(duì)高溫計(jì)的區(qū)域局限性問題，西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授課題組［33］通過建立比色紅外測溫系統(tǒng)，對(duì)LMD 增材制造過程熔池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與定點(diǎn)測量，建立了工藝參數(shù)與增材熔池溫度之間的理論模型，并用于指導(dǎo)成形精度和凝固組織控制。重慶綠色智能技術(shù)研究院［34］也有相關(guān)研究報(bào)道：通過如圖2 所示的紅外熱成像儀測量激光送絲增材過程冷卻速度，最終指導(dǎo)成形尺寸控制和缺陷把控。但是溫度精度低始終是其不可避免的弊端。美國南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)Kovacevic 教授團(tuán)隊(duì)［35］采用高溫計(jì)傳感器和紅外相機(jī)溫度檢測系統(tǒng)，測量LMD 成形過程傳熱傳質(zhì)行為，最終建立了工藝參數(shù)與增材過程熔池溫度的關(guān)聯(lián)。該方法融合了高溫計(jì)單點(diǎn)測溫精度高和紅外熱像儀測溫點(diǎn)域?qū)挼膬?yōu)點(diǎn)，是目前精度要求高、測溫區(qū)域?qū)挼脑霾闹圃爝^程的理想測溫手段，可廣泛應(yīng)用于各類增材制造，但是該方法難以保障實(shí)時(shí)測溫需求，有一定的延后性。除此之外，天津工業(yè)大學(xué)楊洗陳教授團(tuán)隊(duì)［36］以LMD 技術(shù)為例，從普朗克輻射定律出發(fā)，研制了一套基于CCD 比色測溫的熔池溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，由CCD 采集雙波長圖像信息，然后計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行濾波、提取灰度圖像，通過該灰度圖再經(jīng)過標(biāo)定得到激光熔池的溫度場分布。北京理工大學(xué)劉戰(zhàn)偉教授團(tuán)隊(duì)則已經(jīng)在LMD 增材制造現(xiàn)場利用自主研制的單相機(jī)溫度場在線測量光路系統(tǒng)與長焦顯微鏡頭結(jié)合，在線測量了兩種打印過程的熔池溫度分布，包括單點(diǎn)和單道打印過程。總結(jié)了熔池溫度場的溫度分布規(guī)律，分析了熔池的形成、發(fā)展及冷卻過程的溫度變化規(guī)律，如圖3 所示。但由于制造環(huán)境的高復(fù)雜性、發(fā)射率變化等測量難題，對(duì)質(zhì)量反饋的準(zhǔn)確度造成影響，且該方法后處理過程復(fù)雜，亟待后續(xù)軟件開發(fā)解決時(shí)效性的問題。為此，實(shí)時(shí)-高精度-大區(qū)域的溫度信息獲取成為接下來研究發(fā)展的主要方向。

圖2 激光送絲增材過程測溫系統(tǒng)[34]Fig.2 Temperature measurement system during laser wire feeding process[34]

鑒于激光/電弧/電子束熔池溫度特征的相似性，上述溫度監(jiān)測裝備同樣可應(yīng)用于電弧/電子束增材制造。哈爾濱工業(yè)大學(xué)增材制造團(tuán)隊(duì)采用紅外測溫的方法捕獲了電弧增材過程溫度場［37］，采用高速熱電偶測溫設(shè)備對(duì)電子束增材過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測［38］，測量結(jié)果對(duì)其后續(xù)工藝參數(shù)（層間等待時(shí)間）的優(yōu)化提供依據(jù)。

圖3 增材過程中熔池溫度場在線檢測設(shè)備與檢測數(shù)據(jù)Fig.3 On-line testing equipment and testing data of molten pool temperature field during additive manufacturing process

1.2 金屬增材成形尺寸特性監(jiān)測技術(shù)

控形控性問題是現(xiàn)階段增材制造領(lǐng)域的攻堅(jiān)方向，而通過優(yōu)化工藝參數(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)宏觀尺度的“控形”和微觀尺度的“控性”是增材制造零部件質(zhì)量精準(zhǔn)把控的關(guān)鍵所在。目前，常通過建立熱-力耦合小尺度模型，對(duì)增材制造零部件的尺寸進(jìn)行預(yù)測，再通過變形補(bǔ)償來控制成形件的變形。但是增材制造過程中的尺寸變更規(guī)律十分復(fù)雜，并不斷累積，很難進(jìn)行預(yù)測和調(diào)控。因此，發(fā)展原位檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過程中零部件尺寸的實(shí)時(shí)調(diào)控是目前對(duì)控形控性的主要研究方向［39］。

意大利卡塔尼亞德格利大學(xué)Bonaccorso 等［40］針對(duì)電弧增材制造搭建了一套基于電弧電壓傳感的堆積高度檢測與控制系統(tǒng)，通過電弧電壓與堆積高度的線性映射關(guān)系，測量出了堆積層的實(shí)時(shí)高度。但是該方法得到的高度信息誤差較大，且不同沉積材料的線性映射關(guān)系不一致，受限于電弧增材制造形式，極大地限制該技術(shù)的推廣。西南交通大學(xué)李沿江［41］以CCD 攝像機(jī)為核心設(shè)計(jì)了雙攝像機(jī)視覺傳感系統(tǒng)，通過熔池圖像處理方法開發(fā)實(shí)現(xiàn)了薄壁件堆積尺寸的實(shí)時(shí)檢測。該方法雖然可適性較強(qiáng)，不拘束于激光/電弧/電子束增材，但是得到的只是定性的圖片信息，缺乏定量精確的尺寸數(shù)據(jù)，不利于實(shí)時(shí)檢測和后續(xù)數(shù)據(jù)判讀與參數(shù)修正。Garmendia 等［42-43］提出了一套基于結(jié)構(gòu)光掃描儀的測量系統(tǒng)，該結(jié)構(gòu)光掃描儀可在短時(shí)間內(nèi)獲取最新沉積層的高度輪廓，并根據(jù)點(diǎn)云處理，計(jì)算出后續(xù)層所遵循的沉積路徑。如圖4 所示，該掃描儀可以調(diào)節(jié)投影儀和照相機(jī)之間的距離以及它們之間的角度，從而可以測量不同尺寸的物體。相較于前兩種方法，該方法通過現(xiàn)有軟件就可以得到定量的尺寸信息且耗時(shí)較短（0.5 s），雖然精度不能達(dá)到視覺傳感的水平，但誤差在±0.05 mm 范圍內(nèi)，該設(shè)備的準(zhǔn)確性及其可重復(fù)性通過物理標(biāo)準(zhǔn)的測量得到驗(yàn)證，適用于電弧增材、激光熔化沉積、電子束送絲增材這類對(duì)高度敏感的增材制造類型。

圖4 成形尺寸測量系統(tǒng)與測量結(jié)果Fig.4 Forming dimension measurement system and measurement results

1.3 金屬增材過程缺陷檢測技術(shù)

增材制造是一個(gè)快速熔化與快速凝固的過程，過程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及基體與熔覆層材料性能差異，導(dǎo)致制造區(qū)域極易產(chǎn)生裂紋、氣孔、夾渣及未熔合等不良缺陷，嚴(yán)重影響增材質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者廣泛開展熔覆過程缺陷在線檢測技術(shù)研究?，F(xiàn)有在線檢測技術(shù)主要分為兩種類型：一種是以視覺、可見光、紅外等手段為主的表面缺陷檢測方法。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室提出一種在線監(jiān)測-圖像處理方法，采用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)增材異常狀態(tài)檢測與分類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光粉末層熔化區(qū)質(zhì)量優(yōu)劣的判定［44］。次年，該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上融合了多尺度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遷移學(xué)習(xí)方法實(shí)現(xiàn)了多類缺陷（鋪粉不足、鋪粉溝紋、小碎塊缺陷）的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測與分類［45］。該方法太過于依賴龐大的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來提高檢測精度，現(xiàn)階段而言，檢測精度不夠。且該方法目前用于檢測增材前的鋪粉缺陷，僅適用于預(yù)鋪粉型增材制造（激光選區(qū)熔化、電子束選區(qū)熔化），對(duì)于增材過程中的缺陷監(jiān)測還有待研發(fā)。另一種缺陷檢測方法是以超聲、射線為主的內(nèi)部缺陷檢測方法［46］。其中，射線由于輻射原因，不適用于增材過程在線監(jiān)測。在激光超聲檢測領(lǐng)域，Lévesque 等［47］已經(jīng)成功將激光超聲技術(shù)應(yīng)用于離線增材制造產(chǎn)品內(nèi)部缺陷檢測，且通過X-射線掃描結(jié)果證實(shí)其檢測結(jié)果準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)檢測可行性。原材料送給形式以及熱源模型對(duì)激光超聲檢測可行性和準(zhǔn)確性無明顯影響，因?yàn)樵摷夹g(shù)可廣泛用于各類增材制造。武漢理工大學(xué)華林教授團(tuán)隊(duì)［48］鑒于電弧增材過程中氣孔、未熔合、微裂紋等內(nèi)部缺陷和傳統(tǒng)超聲檢測的局限性，研發(fā)了一套由脈沖激光器和激光干涉儀組成的非接觸內(nèi)部缺陷檢測裝置，通過2D 輪廓重建、有限元分析、檢測試驗(yàn)等流程最終實(shí)現(xiàn)了人工定制缺陷的定量檢測。在此基礎(chǔ)上，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司增材制造團(tuán)隊(duì)已經(jīng)自主研發(fā)了一套激光選區(qū)熔化在線缺陷監(jiān)測一體化裝置，具體裝備如圖5（a）所示，相應(yīng)原理見圖5（b），其中振鏡1 用于增材制造，振鏡2 用于缺陷監(jiān)測。從可行性而言，激光超聲技術(shù)是目前較為合理的缺陷檢測技術(shù)，但該技術(shù)尚且存在檢測盲區(qū)，有待突破。

2 金屬增材過程工藝優(yōu)化技術(shù)

鑒于工藝參數(shù)是增材制造過程的核心可控輸入變量，建立工藝參數(shù)-成形件質(zhì)量的預(yù)測與反求模型是實(shí)現(xiàn)成型件形性調(diào)控的關(guān)鍵，而基于該模型目前已經(jīng)形成兩類驅(qū)動(dòng)方式：一類是物理驅(qū)動(dòng)，它通過性能強(qiáng)化機(jī)制、物理冶金機(jī)理、組織演化機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)研究揭示工藝參數(shù)與成型質(zhì)量的關(guān)聯(lián)，從基礎(chǔ)原理層面詮釋了增材質(zhì)量的影響機(jī)制，是理想狀態(tài)下的工藝-質(zhì)量模型構(gòu)建方法。但增材制造存在多材料、多變量、多目標(biāo)的特點(diǎn)，該方法難以快速實(shí)現(xiàn)龐大的工藝參數(shù)因子-多質(zhì)量目標(biāo)模型的迭代。另一類是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，它通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法優(yōu)化工藝參數(shù)與成形質(zhì)量的定量關(guān)系，通過少批次變量試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多維度工藝參數(shù)下成形質(zhì)量的預(yù)測與多目標(biāo)質(zhì)量的參數(shù)精準(zhǔn)尋優(yōu)。

圖5 缺陷檢測裝備和原理Fig.5 Defect detection equipment and principle

目前最常用于工藝/質(zhì)量優(yōu)化的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就此開展了大量研究［49］，涉及目標(biāo)質(zhì)量包括成形尺寸、耐磨性能、表面質(zhì)量、力學(xué)性能、疲勞性能，涉及的優(yōu)化參數(shù)包括激光功率/電弧參數(shù)、掃描速度、層厚、間隔時(shí)間等［50-52］，具體案例匯總?cè)绫? 所示。值得注意的是，武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室［53］針對(duì)激光增材過程，進(jìn)行了反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量預(yù)測，將平均相對(duì)誤差控制在5.97%以內(nèi)；在此基礎(chǔ)上，上海航天設(shè)備制造總廠有限公司增材制造團(tuán)隊(duì)［54］采用回歸分析-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了工藝參數(shù)-加工性能耦合模型，將性能預(yù)測誤差控制在4% 以內(nèi)，并基于NSGA-Ⅱ算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)，得到硬度性能優(yōu)良的增材構(gòu)件。由此可知，采用多元智能算法對(duì)增材質(zhì)量模型進(jìn)行耦合能大幅度減小預(yù)測誤差，實(shí)現(xiàn)以質(zhì)量為靶向的工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的金屬增材制造工藝/質(zhì)量優(yōu)化Table 2 Neural network?based metal additive manufacturing process/quality optimization

除神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以外，遺傳算法、隨機(jī)森林、支持向量回歸、K-均值、集成算法等機(jī)器學(xué)習(xí)算法也受到廣泛關(guān)注［49］。華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)［60］為解決現(xiàn)階段DED 成型精度低的問題，以常規(guī)沉積工藝參數(shù)為輸入，熔道寬度和高度為輸出，建立了融合高斯徑向（RBF）核函數(shù)與支持向量回歸（SVR）的預(yù)測模型。不僅實(shí)現(xiàn)了誤差控制在4.58%的多參數(shù)下熔道尺寸預(yù)測，同時(shí)采用改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)全局尋優(yōu)。美國西北大學(xué)Liu 教授團(tuán)隊(duì)［61］開發(fā)了一種基于多物理場建模-實(shí)驗(yàn)測量-數(shù)據(jù)挖掘的新型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，建立了工藝（激光功率、能量密度、冷卻速度、送粉速率）-質(zhì)量（稀釋率、微觀組織、顯微硬度）的耦合模型（圖6），并實(shí)現(xiàn)了基于多目標(biāo)質(zhì)量的增材工藝尋優(yōu)。該方法充分發(fā)揮了物理模型與數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢，通過工藝試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法得到用于數(shù)據(jù)挖掘的7 維輸入?yún)?shù)，采用自組織映射算法建立了工藝-質(zhì)量的關(guān)聯(lián)模型并實(shí)現(xiàn)了可視化，有助于實(shí)現(xiàn)增材過程的在線調(diào)控。

雖然通過建立輸入?yún)?shù)-輸出質(zhì)量耦合模型能一定程度上實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的自動(dòng)尋優(yōu)與成型件形性調(diào)控，但是增材制造過程中材料往往存在強(qiáng)烈的物理化學(xué)變化、復(fù)雜的物理冶金過程和形變過程，導(dǎo)致現(xiàn)階段增材成形過程的質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝一致性不足，制約基于智能制造技術(shù)的工藝參數(shù)-成形質(zhì)量模型的預(yù)測精度與形性調(diào)控效果。

3 金屬增材過程質(zhì)量控制技術(shù)

圖6 基于多物理場建模-實(shí)驗(yàn)測量-數(shù)據(jù)挖掘的新型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型[61]Fig.6 Novel data-driven model based on multiphysics modeling-experimental measurement-data mining[61]

鑒于工藝參數(shù)-成型質(zhì)量預(yù)測模型的不穩(wěn)定性，在該模型中引入過程參量感知因子，得到工藝參數(shù)-過程參量-成形質(zhì)量三者耦合模型，通過增材過程參量的感知實(shí)時(shí)保障過程穩(wěn)定性，通過工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)時(shí)調(diào)控增材過程，實(shí)現(xiàn)增材工藝一致性把控是目前增材制造的有效保障手段［62-63］。國內(nèi)外學(xué)者基于紅外監(jiān)測［37］、視覺監(jiān)測［64］、電參數(shù)監(jiān)測［65-66］等技術(shù)圍繞熔池溫度、尺寸、過程缺陷3 個(gè)領(lǐng)域開展了大量增材質(zhì)量控制技術(shù)研究，具體內(nèi)容如表3 所示。

表3 基于智能感知的增材質(zhì)量控制技術(shù)Table 3 Quality control technology of additive manufacturing based on intellisense

在成形尺寸控制方面。西南交通大學(xué)熊俊教授課題組［73］為解決電弧增材制造過程中交叉結(jié)構(gòu)引起的重疊峰值現(xiàn)象，開發(fā)了一套集弧壓監(jiān)測和填充焊絲外控系統(tǒng)于一體的功能性PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)。以弧壓為輸入量，送絲速度為輸出量，通過PID 系統(tǒng)的自主偏差調(diào)節(jié)有效消除了交叉峰值并確保了成形高度的穩(wěn)定性，具體增材設(shè)備如圖7 所示。該方法原理簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，但極大依賴數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。除此之外，該課題組還開發(fā)了一套用于電弧增制造過程中層寬調(diào)控的智能自調(diào)節(jié)控制器：以掃描速度為輸入變量，層寬作為因變量。當(dāng)層寬過大時(shí)，提高掃描速度，當(dāng)層寬過小時(shí)，降低掃描速度，憑此實(shí)現(xiàn)層寬的實(shí)時(shí)調(diào)控［74］。鑒于掃描速度和層寬的線性關(guān)系，該方法可行性高且效果顯著，但是與層寬相比，沉積層高度對(duì)于制造可行性與性能穩(wěn)定性的影響更加顯著。針對(duì)沉積層高度，Herali 等［75］將自主開發(fā)的成型尺寸掃描系統(tǒng)與機(jī)器人控制系統(tǒng)耦合集成，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法控制激光熔化沉積層送絲速度從而補(bǔ)償層高的偏差，具體過程如圖8 所示，控制方案為：激光增材得到沉積層→3D 掃描儀得到高度信息→送絲速度參數(shù)調(diào)控沉積層高度，具體為：高度過高則提高送絲速度，高度過低則降低送絲速度。該方法有效實(shí)現(xiàn)了增材過程的閉環(huán)控制，雖然調(diào)節(jié)目標(biāo)只有沉積層高度，但是依然是智能增材制造向前的一大步，有待實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)質(zhì)量的調(diào)節(jié)。

圖7 基于弧壓監(jiān)測-焊絲外控的智能電弧增材系統(tǒng)與用戶界面[73]Fig.7 Intelligent arc additive system and user interface based on arc voltage monitoring and welding wire external control[73]

圖8 沉積層高度控制過程圖Fig.8 Height control of deposited layer during additive manufacturing

在熔池溫度調(diào)控方面。Giri 等［76］研究發(fā)現(xiàn)影響激光增材制造幾何精度、材料特性和參與應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一就是熔池的熱行為，因此該實(shí)驗(yàn)室通過增材過程溫度分布的動(dòng)態(tài)捕獲特征，憑此調(diào)控激光功率實(shí)現(xiàn)熔池穩(wěn)定，具體方法為：捕獲溫度過高，則降低激光功率，反之，亦然。Nassar等［77］通過對(duì)溫度實(shí)施閾值溫度閉環(huán)控制，發(fā)現(xiàn)通過控制成形溫度，能得到更規(guī)則的晶粒排列、更均勻的柱狀晶尺寸和顯微硬度，結(jié)果如圖9 所示。為后續(xù)把控增材制造宏觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力應(yīng)變等物理特性提供了新思路。

除溫度和尺寸之外，增材過程中液滴過渡方式、鋪粉缺陷等因子也對(duì)增材質(zhì)量造成重要影響。大連理工大學(xué)姚山教授團(tuán)隊(duì)［78］鑒于目前鋪粉缺陷對(duì)成形質(zhì)量的決定性影響作用，針對(duì)典型的四類鋪粉缺陷（小碎塊、鋪粉溝紋、鋪粉不足、鋪粉過量），利用自研機(jī)器視覺系統(tǒng)和深度學(xué)習(xí)算法建立了基于圖像處理的鋪粉缺陷在線檢測與控制流程。清華大學(xué)都東教授團(tuán)隊(duì)［79］發(fā)現(xiàn)由于增材過程不穩(wěn)定性導(dǎo)致沉積層表面狀態(tài)極易發(fā)生變化，進(jìn)而造成液滴過渡不穩(wěn)定，形成大液滴，或?qū)е陆z材與基板粘接。為解決現(xiàn)有電子束增材開環(huán)控制造成的沉積質(zhì)量差甚至沉積中斷現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)提出一種基于機(jī)器視覺的液橋過渡監(jiān)測方法，將液滴距離實(shí)時(shí)反饋并控制在閾值范圍內(nèi)，有效解決了增材過程沉積不穩(wěn)定的問題。

圖9 開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)果對(duì)比[77]Fig.9 Comparison of open-loop control and closed-loop control results[77]

前述變形、溫度、缺陷等過程參數(shù)的調(diào)控方法都有效可行，但是若要實(shí)現(xiàn)增材過程的形性調(diào)控，不能是單一過程參量調(diào)控能實(shí)現(xiàn)的，還涉及基于多源信息融合的智能決策，涵蓋多目標(biāo)（溫度、變形、缺陷）等過程信息的處理和多自變量（功率、掃描速度、送絲/粉速度）的調(diào)節(jié)。如何解決過程監(jiān)測信息求解得到的工藝參數(shù)沖突問題，成為增材制造過程形性綜合調(diào)控的重要難題。上海航天設(shè)備制造總廠有限公司目前已經(jīng)搭建了一套基于激光-電弧復(fù)合增材的在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)，具體模型如圖10所示。通過溫度-激光功率的循環(huán)實(shí)現(xiàn)增材構(gòu)件組織尺寸的把控，通過沉積層高度-提升量的循環(huán)實(shí)現(xiàn)增材構(gòu)件成形尺寸的把控。

圖10 激光-電弧復(fù)合增材的在線監(jiān)測與控制系統(tǒng)Fig.10 On-line monitoring and control system of laser-arc composite additive manufacturing

4 展望

受限于增材制造技術(shù)存在的工藝過程影響因素多、缺陷及變形產(chǎn)生機(jī)理尚不清晰、工藝狀態(tài)隨時(shí)空域變化等因素，現(xiàn)有增材成形過程中質(zhì)量穩(wěn)定性和工藝一致性不足，嚴(yán)重制約了其工程應(yīng)用。結(jié)合在線監(jiān)測和閉環(huán)控制技術(shù)來研究這一極端復(fù)雜系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)增材制造形性可控的有效途徑。結(jié)合前述研究現(xiàn)狀，思考增材制造質(zhì)量在線監(jiān)測與控制技術(shù)未來的研究和發(fā)展趨勢，下列方向值得進(jìn)一步關(guān)注：

（1）增材過程參量時(shí)效性和精準(zhǔn)度把控

過程感知是最終實(shí)現(xiàn)形性調(diào)控的第一步也是最重要的環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否直接影響工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的正確性，關(guān)系到最終成形質(zhì)量。而只有實(shí)時(shí)反饋才能保障實(shí)時(shí)調(diào)控，滯后時(shí)間較長將導(dǎo)致時(shí)間成本增大甚至是無效調(diào)節(jié)。

由于增材過程存在復(fù)雜物理化學(xué)變化，對(duì)溫度、變形等過程參量的感知造成干擾，亟待有效解決手段。此外，現(xiàn)有感知設(shè)備存在海量數(shù)據(jù)處理與實(shí)時(shí)反饋不能兼顧的問題，亟待后續(xù)算法優(yōu)化。以高溫計(jì)為例，雖然時(shí)效性符合要求，但是測溫區(qū)域窄，單點(diǎn)測溫誤差大，而比色測溫技術(shù)雖然測溫精度高，但后續(xù)數(shù)據(jù)處理耗時(shí)長，嚴(yán)重影響增材進(jìn)度。因此，開發(fā)兼具時(shí)效性和精準(zhǔn)度的增材過程監(jiān)測設(shè)備是智能增材制造技術(shù)的重要方向。

（2）以目標(biāo)質(zhì)量為靶向的增材過程工藝變量-過程參量-成形質(zhì)量耦合求解/調(diào)控功能的主動(dòng)實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)有的增材質(zhì)量控制手段局限于工藝變量-成形質(zhì)量的耦合優(yōu)化，但增材制造普遍存在工藝穩(wěn)定性與質(zhì)量一致性不足的問題，因此優(yōu)化后的工藝也難以保障質(zhì)量的穩(wěn)定性，亟待引入過程參量的概念。

通過增材制造過程參量數(shù)據(jù)掘取與分析，精準(zhǔn)構(gòu)建/求解增材質(zhì)量-過程參量-決策變量耦合映射模型，并在關(guān)聯(lián)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行多目標(biāo)同步優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)多載能束增材流程的智能化控制。采用大數(shù)據(jù)分析方法求解出瞬/暫/穩(wěn)三態(tài)過程參量（瞬態(tài)溫度/變形數(shù)據(jù)、暫態(tài)缺陷信息、穩(wěn)態(tài)變形結(jié)果）的決策性工藝變量，并通過決策變量權(quán)重因子求解，得到多目標(biāo)過程參量-工藝變量的耦合模型；基于海量成形質(zhì)量評(píng)價(jià)與過程參量掘取結(jié)果，得到多目標(biāo)質(zhì)量（稀釋率、硬度、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率、成形尺寸）分別對(duì)應(yīng)的過程參量影響因子和權(quán)重比；最終建立工藝變量-過程參量-增材質(zhì)量耦合映射模型。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)增材構(gòu)件目標(biāo)質(zhì)量的個(gè)性化需求，依次反向求解瞬/暫/穩(wěn)三態(tài)過程參量數(shù)據(jù)和決策變量修正值，并依據(jù)增材制造一體化感知系統(tǒng)和增材成形質(zhì)量評(píng)價(jià)體系對(duì)修正值下的過程參量和成形質(zhì)量進(jìn)行校驗(yàn)，形成以目標(biāo)質(zhì)量為靶向的具有大數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)快速處理、工藝參數(shù)調(diào)控的工藝-參量-質(zhì)量數(shù)據(jù)庫。

（3）基于多源傳感信息融合與多優(yōu)化目標(biāo)智能同步?jīng)Q策的增材全過程質(zhì)量管控

現(xiàn)有增材制造過程調(diào)控存在優(yōu)化目標(biāo)單一和決策參數(shù)單一的問題，如局限于溫度、變形、缺陷等某單一對(duì)象的調(diào)節(jié)，尚未實(shí)現(xiàn)多源信息的融合優(yōu)化。

基于人工智能技術(shù)識(shí)別多源傳感信息中的有效信息，排除無效信息，并綜合考慮傳感器的專屬特征，對(duì)過程參量信息進(jìn)行智能融合（溫度、變形、缺陷）；在此基礎(chǔ)上，對(duì)多源融合過程參量的正常狀態(tài)和異常狀態(tài)進(jìn)行判讀，并將異常過程參量反饋至工藝-參量-質(zhì)量數(shù)據(jù)庫，求解出預(yù)期質(zhì)量、目標(biāo)質(zhì)量對(duì)應(yīng)的過程參量、目標(biāo)參量對(duì)應(yīng)的工藝變量；在此過程中，開發(fā)智能決策算法，解決現(xiàn)階段以目標(biāo)質(zhì)量為靶向的過程參量調(diào)節(jié)和以目標(biāo)參量為靶向的決策變量調(diào)節(jié)存在多目標(biāo)之間的沖突干擾問題；最終將求解得到的修正工藝變量信息傳輸至操作端，基于不斷迭代的過程把控，達(dá)到增材制造過程中全生命周期的質(zhì)量調(diào)控目的。