增材制造過程監(jiān)控技術現(xiàn)狀綜述★

葉志鵬 ， 李騫 ， 雷柏茂 ， 朱嘉偉 ， 歐永

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.廣東省電子信息產品可靠性與環(huán)境工程技術研究中心，廣東 廣州 510610；3.廣東省發(fā)改委國家與地方聯(lián)合工程中心，廣東 廣州 510610；4.泰州賽寶工業(yè)技術研究院有限公司，江蘇 泰州 225500）

0 引言

增材制造技術是當前工業(yè)界、學術界的一個研究熱點，特別是GE等工業(yè)巨頭，業(yè)已實現(xiàn)多款增材制造制件的裝機試用[1]。

盡管增材制造技術已經取得了較好的發(fā)展，但其工藝難以實現(xiàn)標準化，制件的質量一致性難以保證。例如：使用同一臺裝備加工的同一個零件，最終的力學性能和幾何精度都可能會出現(xiàn)較大的偏差。究其原因，主要是因為目前增材制造工藝一般采用開環(huán)或半閉環(huán)控制，對于中間過程的監(jiān)控相對有限，對工藝變動及其產生的影響的認識不夠透徹。為此，本文對國內外現(xiàn)有的和在研的增材制造在線監(jiān)控技術展開了綜述，并總結了現(xiàn)有的監(jiān)控手段所面臨的問題。

1 增材制造技術的分類和功能框圖

1.1 增材制造技術的分類

增材制造技術最近幾年的廣泛應用使得人們對其的認識也越來越清晰，采用ASTM分類標準[2]，現(xiàn)有的增材制造工藝主要包括以下8種，即光聚合、粉末床融化、粘接劑噴射、材料噴射、層壓、材料擠出、直接能量沉積和混合增材制造。

1.2 增材制造加工系統(tǒng)的影響因素和功能框圖

增材制造工藝系統(tǒng)的綜合性能主要體現(xiàn)在加工范圍、單次加工的成型質量 （與時間無關）和成型質量的穩(wěn)定性 （與時間相關）上。因此，工藝系統(tǒng)的綜合性能不僅與加工裝備的軟硬件水平有關，還與被加工對象、工藝規(guī)劃的選擇等有關。增材制造裝備的硬件系統(tǒng)主要包括材料輸送系統(tǒng)、運動、能量控制系統(tǒng)、加工頭、監(jiān)控系統(tǒng)和外圍 （包括冷卻系統(tǒng)和預熱裝置等）。增材制造的過程控制框圖如圖1所示，包括模型輸入、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機構和過程監(jiān)測系統(tǒng)等部分。其中，材料的監(jiān)控 （例如：送粉和鋪粉質量的監(jiān)測）、成型腔環(huán)境的監(jiān)測和微區(qū)的監(jiān)測 （微區(qū)指的是金屬成型中的熔池、樹脂成型中的反應區(qū)和粘接劑噴射成型中的凝固區(qū)等處于融/熔狀態(tài)的區(qū)域）等屬于增材制造過程中特有的監(jiān)測對象，也是增材制造系統(tǒng)與普通加工系統(tǒng)在過程監(jiān)控中的本質區(qū)別。

圖1 增材制造過程控制框圖

2 國內外現(xiàn)有的增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)的特點

從圖1中可知，增材制造過程的控制對象主要為運動、材料和能量，由于運動控制相對成熟，因此本文著重地介紹材料輸送系統(tǒng)監(jiān)控和加工頭系統(tǒng)監(jiān)控。此外，成型腔內的環(huán)境對成型精度、質量保持性具有重要的作用，因此也作為過程監(jiān)控系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)。特別地，對于金屬增材制造而言，熔池的狀態(tài)及其變化對制件的最終質量具有決定性的作用，因此，熔池的監(jiān)控是目前金屬增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)的研究熱點。

2.1 材料輸送系統(tǒng)的過程監(jiān)控

對材料的監(jiān)控會隨著材料輸送方式的不同而有較大的區(qū)別。材料輸送方式主要有送絲、噴粉和鋪粉等。

采用送絲方式輸送材料時，主要通過2～4個驅動滾輪以碾壓的方式送進，需要保證材料送進時穩(wěn)定、可靠，因此，優(yōu)質的增材制造裝備均具有速度反饋的伺服電機作為送絲機構的驅動電機。其次，為了提高電機的送絲穩(wěn)定性，研究者提出采用模糊算法、自適應滑動模型等控制手段，以提高控制質量。上述送絲機構的控制方法均采用開環(huán)或半閉環(huán)方式，這種控制方法雖然能夠使得驅動電機運行得更加穩(wěn)定，但對于材料輸出的質量卻未作定量的評價，例如：材料擠出中熱熔噴頭內熔融材料的輸入壓力、速度等。采用送絲方式的能量直接沉積工藝的送絲機構一般與自動焊接中的送絲機構原理一樣，但由于焊接時對形狀要求不高，因此對送絲機構的性能要求也不高。但在增材制造過程中，對于不同的沉積部位，需要實時地改變送絲的速度，甚至改變送絲頭的俯仰度[3]，因此絲材送進的響應特性及穩(wěn)定性尤為重要。熔滴過渡對于激光或電子束類增材制造一直是一個難以解決的問題，而送絲特性曲線與熔滴過渡過程直接相關，因此需要送絲機構能夠滿足不同的過渡過程選擇，即需要保證送絲的高精度、低延時和小超調等[4]。

噴粉方式的材料送進多采用同軸噴粉頭來實現(xiàn)，噴粉頭直接集成到激光加工頭前端。通過送粉器產生具有一定流速、壓力的粉末流，再通過送粉管輸送到噴粉頭的多個輸出口，并噴射匯聚到一點。整個過程中，粉末匯聚的大小、速度等是最終考察的量，并且其對成型精度、致密度和材料的利用效率等具有較大的影響[5]。

鋪粉方式具有多種，料筒下置式的鋪粉用得較多的是刮板和滾輪方式，料筒上置式的則多使用刮板和振動落粉，而鋪粉過程中關心的指標是平整度、層厚誤差、致密度和鋪粉效率等。粉末的平整度和層厚誤差會影響成型質量的均勻性，甚至會導致缺陷的出現(xiàn)，例如：鋪粉存在凸點或凹點，激光作用后容易出現(xiàn)熔化不充分或者過燒的現(xiàn)象，再如在厚度過厚時，容易造成層間熔化不充分，結合力不足，而厚度過薄則會導致熱影響區(qū)過大，熔池凝固過程中內應力較大，并且進一步地導致缺陷的出現(xiàn)。而鋪粉致密度不足時，也會導致制件最終的致密度較低，難以實現(xiàn)全密度的增材制造。由于粉末較細，只能使用非接觸式的方法來獲得鋪整狀態(tài)。其中，照相技術能夠獲得整個鋪粉表面的二維或三維信息，并且測試時間較短，因此被廣泛地使用[6-7]。其他非接觸式的、用于測量層厚或不平整度的距離傳感器包括激光測距儀等。激光測距儀只能定點測試，不能獲得整個鋪粉層面的信息，因此必須建立在經驗和模型假設之上。此外，照相技術能夠獲得每一層打印的圖片，在打印過程中可以實時地觀察打印的效果，同時，可以對缺陷的出現(xiàn)進行預測，并采取必要的修復措施。

2.2 加工頭系統(tǒng)的過程監(jiān)控

加工頭系統(tǒng)指的是能量來源，包括激光加工頭、電子槍、 （陣列）噴頭、振鏡系統(tǒng)或者焊槍等能量輸出裝置，以及能量源和能量傳遞部分。由于能量源和傳遞部分往往較為成熟，也具有一定的反饋控制，因此，這里重點討論能量輸出裝置的過程監(jiān)控。

高能束加工頭往往需要對能量密度、密度分布和能量波動進行監(jiān)控，以保證加工過程中穩(wěn)定的能量輸入。3D System公司針對立體光固化技術中激光的漂移誤差和指針機構重復性掃描的精度問題設計了一種漂移定期校正裝置和方法，采用光束傳感器和光電探測器來確定漂移誤差，并設計了一種漂移校正算法以補償漂移誤差[8]。此外，3D System還設計了一種光束強度和功率監(jiān)測裝置，通過光束分析傳感器對光束移動進行檢測，并進一步地通過控制光束掃描機構的運動來檢測出光束寬度和液態(tài)樹脂深度的分布強度[9]。而電子槍系統(tǒng)除了能量方面的監(jiān)控，還需要保證槍內的真空度。

噴頭系統(tǒng)主要用于粘接劑噴射、材料噴射和材料擠出成型3類非金屬增材制造工藝。上述3類工藝分別對應3種主要的材料類型，粘接劑噴射成型的材料一般為聚合物粉末、陶瓷粉末等；材料噴射成型的材料主要是液態(tài)樹脂等；而材料擠出成型的材料主要是絲狀聚合物，但某些特殊的工藝還可能選用注塑成型的方式，使用塑料顆粒作為原料，而將注塑的模具換成一個高頻擠出噴頭，形成一個增材制造裝備。粘接劑噴射和材料噴射一般采用物理或化學的方式進行成型加工，因此一般不涉及熱量的轉化。而材料擠出成型工藝主要使用加熱、加壓的方式使固態(tài)的材料變?yōu)榫哂幸欢鲃幽芰Φ娜廴跔顟B(tài)，再通過噴頭擠出成型。熔融態(tài)流體的特性決定了噴頭擠出的效果，進一步地決定了成型的質量。因此，大部分材料擠出成型裝備都具有擠出頭溫度反饋，并設計了擠出頭冷卻裝置以提高其使用壽命。然而，溫度信息對于流體來說僅僅是一個方面的因素，要研究擠出過程的流動狀態(tài)還需要了解流體的壓力和粘度等參數(shù)。為此，Batchelder等設計了一種能夠實現(xiàn)熔融流體流量動態(tài)控制的熱熔噴頭，該噴頭即通過監(jiān)測流體壓力獲得流體的流動特性，使擠出材料流量驅動機構和消耗材料進給率成為閉環(huán)控制[10]。

2.3 成型環(huán)境的過程監(jiān)控

成型環(huán)境不僅包括氣體環(huán)境，還包括成型過程的材料環(huán)境 （主要是鋪粉過程的粉末預熱溫度、能量直接沉積成型的基底冷卻環(huán)境等）。對氣體環(huán)境的監(jiān)測主要是封閉腔內的增材制造，例如：選取熔化、電子束金屬直接成型等工藝。對環(huán)境進行控制，一方面是裝備使用的要求，例如：電子槍；另一方面主要是為了提供一個更優(yōu)質的成型環(huán)境，以避免某些惡化現(xiàn)象的出現(xiàn)，例如：控制氧含量以避免鈦合金在成型過程中的溶解。上述監(jiān)測的是氣體環(huán)境中的氣體成分，主要體現(xiàn)為氧的含量或惰性氣體的濃度。通過將氧含量信息反饋至控制系統(tǒng)中，便能實時地通過控制氣體循環(huán)系統(tǒng)的氣體流量實現(xiàn)成型氣體環(huán)境的穩(wěn)定控制。

成型環(huán)境的另一個監(jiān)控目標是材料的溫度。某些工藝需要將預置材料進行加熱處理，使得成型時應力減小，從而避免由于膨脹量不同而導致缺陷出現(xiàn)，同時降低翹曲程度。預置埋入式的熱電偶或熱像儀是測量預熱溫度情況的常用手段。預熱過程僅需對最頂層附近進行，并且不能破壞鋪粉表面平整度，因此預熱一般使用熱輻射的方式進行。Price S[11]對電子束增材制造過程進行溫度監(jiān)控，采用紅外熱像儀作為溫度測量儀，測量溫度范圍為600～3 000℃。冷卻水路的設計主要是為了迅速地帶走高能束加工中產生的大量熱量，使得某些具有較好塑性的金屬材料冷卻下來后熱變形變得盡可能地小。溫度的穩(wěn)定控制是冷卻過程的主要研究內容，與預熱系統(tǒng)一樣，均屬于溫度控制的范疇，但冷卻的驅動力是冷卻水的熱交換，而預熱的驅動力是電加熱產生的熱輻射。因此，控制算法的研究是成型材料溫度控制的關鍵。模糊控制、參考模型自適應控制等方法的提出為溫度調控過程提供了較好的控制手段，前者是常用的溫度控制手段，對溫度的控制是建立在溫度均勻化假設程度上的，但模型形狀變化較大或者材料性能變化明顯時，該算法會產生較大的誤差；而后者是基于成型模型提出的控制算法，根據(jù)切片形狀的不同而設置了不同的控制算法，因此適應性更強。

2.4 熔池的過程監(jiān)控

對熔池的監(jiān)測的目的主要是為了獲得熔池內的溫度、形狀和大小，從而獲得制件的每一個熔池的成型信息。溫度和熔池幾何信息一方面可以直觀地顯示打印過程的溫度狀態(tài)，另一方面也能夠為缺陷預測提供依據(jù)。

由于熔池附近的溫度較高，并且溫度梯度極大，因此熔池溫度的測量一直是高能束加工領域的一個難點。熔池測溫傳感器一般都是輻射式的。使用接觸式的熱電偶作為測溫傳感器也是一種獲得熔池的整體溫度或最高溫度的可選方案，但熱電偶只能獲得單點的溫度，并且無法直接測量熔池的溫度，需要建立在一定的假設條件下，通過熱傳導模型反求熔池溫度，因此測量準確性不高。這里著重討論非接觸式的輻射測溫傳感器。

輻射式測溫傳感器具有光熱型和光電型兩種。光熱型利用的是紅外輻射熱效應使得器件的電阻、電容發(fā)生變化來進行工作的，也被稱為非制冷型探測器；而光電型利用的是光電二極管的光電效應來進行工作的，通過光電二極管的反向電流隨光強的變化而變化的原理進行測量的，因此用光電二極管作為感溫元件的熱像儀獲得的最準確的是光強信號，亦被稱為亮度溫度或輻射溫度。物體的實際溫度與亮度溫度或輻射溫度之間存在一定的對應關系，通過這種對應關系將即可將物體的實際溫度計算出來，這便是光電二極管的測溫原理。

輻射式測溫根據(jù)所使用的輻射波段 （光譜）的數(shù)量分為單色法測溫、多光譜輻射測溫和全輻射測溫3種。當采用特定波段的輻射能通過普朗克定律來計算溫度時，被稱為單色 （波長）法測溫，例如：光學高溫計、紅外測溫儀等；當采用多個波段的輻射能量來計算溫度時，被稱為多光譜輻射測溫，例如：比色溫度計、比色紅外測溫儀；而采用全波長范圍的輻射能量，由Stefan–Boltzmann定律積分來求得物體的溫度時，被稱為全輻射測溫法，例如：輻射溫度計 （熱電堆）。

文獻 [12]綜述了輻射測溫的發(fā)展現(xiàn)狀。與單色測溫法和全輻射測溫相比，比色法測溫不會隨物體表面的狀態(tài)而變化 （表面粗糙度不一樣或表面的化學狀態(tài)不一樣），不會影響測溫的準確性。比色測溫儀是通過測量物體在特定的兩個波段范圍內的比值，當出現(xiàn)灰塵、水汽等，所測得的兩個波段范圍內的信號同時下降，相除以后，比值不變；而單色測溫和全輻射測溫都需要知道被測物體表面的實際發(fā)射率；對于發(fā)射率較小的物體，單色法和全輻射測溫的相對誤差較大，此時適合采用比色法測溫。此外，單色測溫儀不能測量比視場范圍小的物體。當目標不能充滿視場時，會使測量溫度變低，而比色測溫儀能測量比視場范圍小的物體。因此，比色測溫法比單色測溫法對被測物的要求更低。

增材制造過程中的熔池測量主要采用高速攝像機和高溫計、紅外熱像儀等測試設備。熔池監(jiān)測的工作模式是將熔池的輻射光通過鏡頭和中間的過濾器采集到探測器上，探測器再傳輸給圖像采集卡進行信號處理和溫度場或圖像計算，通過設定閾值對工藝參數(shù)進行閉環(huán)控制，與圖1的工作過程基本一致。在有的情況下，計算得到的溫度場和圖像并不作為反饋使用，而形成一個監(jiān)測模塊，采集到的溫度和圖像信息僅作成形信息記錄使用。較為典型的一種高速相機及測溫元件的集成方式如圖2a所示，其屬于一種同軸監(jiān)測方法，即監(jiān)測模塊直接集成到加工裝備中，但該方法需要對原裝備進行一定的改造，Clijsters[13-15]等搭建的監(jiān)控裝置采用的就是這種方式。旁軸監(jiān)測的典型模式如圖2b所示，相對來說，旁軸監(jiān)測的方法實現(xiàn)過程相對簡便，不需要對原加工裝備進行太大的改動，Krauss[16]和Atwood[17]等搭建的監(jiān)控裝置采用的是此類監(jiān)控集成方式。

圖2 熔池在線監(jiān)測方法

3 結束語

本文首先分析了影響增材制造加工工藝系統(tǒng)綜合性能的關鍵因素，以及各種關鍵因素之間的相互關系，并從不同的因素出發(fā)，綜述了國內外增材制造在過程監(jiān)控方面的研究情況。對現(xiàn)有增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)研究的重點和現(xiàn)存問題總結如下。

從控制系統(tǒng)集成方式來看，現(xiàn)有的增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)分為一體式的監(jiān)控系統(tǒng)和獨立式的監(jiān)控系統(tǒng)。國內提出的增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)大體都屬于一體式的，即監(jiān)控系統(tǒng)直接嵌入到控制系統(tǒng)中，信號處理也由控制系統(tǒng)實現(xiàn)。一體式的監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點是能夠充分地利用資源，但不可避免地，該類監(jiān)控系統(tǒng)的移植性差，處理器負荷高。獨立式的監(jiān)控系統(tǒng)往往帶有獨立的前處理和信號后處理功能，通過反饋接口與控制系統(tǒng)進行交互。該類監(jiān)控系統(tǒng)可配置性強，不受控制系統(tǒng)處理器能力的限制，并且可移植性較強，比較適合用于新產品研發(fā)和設備性能提升中。但獨立式的監(jiān)控系統(tǒng)存在成本高、技術難度大等問題。

從國內外對增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)的研究進度可見，目前國內外的研究重點依然集中在系統(tǒng)的集成和溫度場的準確計算上，只有國外幾個較為成熟的裝備制造商和研究機構對溫度場和其他監(jiān)測信息進行了深入的后續(xù)處理和分析，并且建立了監(jiān)測信息與缺陷以及工藝參數(shù)之間的聯(lián)系。其中，采樣速率和處理速度是目前實現(xiàn)閉環(huán)控制的最大瓶頸。

此外，現(xiàn)有的增材制造過程監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是調整工藝參數(shù)、保證加工過程的穩(wěn)定性和使用監(jiān)測信息對制件的缺陷進行分析，而未考慮裝備性能預測和工藝穩(wěn)定性預測等方面的問題。更進一步地，對于增材制造裝備壽命預測問題目前仍然沒有進行深入的研究。