供稿人：張益?zhèn)?、楊?供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-05-09
激光粉末定向能量沉積（LP-DED）技術(shù)因其高設(shè)計靈活性和材料利用率在增材制造領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，沉積過程中間隙高度（噴嘴與沉積層間的距離）的波動會導(dǎo)致粉末捕獲效率下降、能量密度變化及幾何精度偏差，直接影響零件質(zhì)量。傳統(tǒng)監(jiān)測方法如激光三角測量、3D掃描或接觸式探頭存在成本高、速度慢或易受環(huán)境干擾等問題。Herberger團隊[1]提出了一種基于多模態(tài)傳感器融合的低成本實時間隙高度估計方法，為LP-DED過程控制提供了新思路。
圖1 (a)LP-DED系統(tǒng)示意圖 (b)間隙高度對激光焦點和粉末流的影響 (c)沉積噴嘴結(jié)構(gòu)
研究團隊通過集成同軸RGB攝像頭和高頻麥克風(fēng)（采樣率200 kHz），構(gòu)建多模態(tài)傳感系統(tǒng)。同軸攝像頭利用RGB通道的色差特性（因光學(xué)色差導(dǎo)致不同顏色通道的焦點偏移），結(jié)合拉普拉斯能量聚焦算法提取熔池圖像特征（圖2）；麥克風(fēng)則通過分析聲發(fā)射信號的頻譜特征（如梅爾頻率倒譜系數(shù)、頻譜質(zhì)心等）捕捉工藝動態(tài)（圖3）。兩類傳感器數(shù)據(jù)通過機器人操作系統(tǒng)（ROS）同步，輸入多層感知器（MLP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行融合預(yù)測，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含視覺與聲學(xué)分支的獨立特征提取層及聯(lián)合預(yù)測層（圖4）。
圖2 (a)紅、綠、藍通道的拉普拉斯能量對焦測量響應(yīng)與距離的關(guān)系 (b)在沉積過程中不同距離高度拍攝的熔池圖像、顏色光譜權(quán)重的變化以及熔池形狀的差異 (c)從熔池圖像中提取的特征，包括長度、寬度和面積
圖3 麥克風(fēng)和同軸相機的位置
圖4 多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及訓(xùn)練損失曲線
實驗通過多種幾何結(jié)構(gòu)（單道、環(huán)形、傾斜平板、波浪形平板及多層壁）驗證模型性能。結(jié)果表明，多模態(tài)方法在單道沉積中預(yù)測均方根誤差（RMSE）為0.097 mm，傾斜平板測試中RMSE為0.253 mm，顯著優(yōu)于單傳感器模型。此外，模型在多層壁沉積中成功捕捉到間隙高度隨層數(shù)增加的累積偏差趨勢，預(yù)測值與實測值誤差小于±200 μm，滿足實時控制需求。聲學(xué)數(shù)據(jù)的高頻特性與視覺數(shù)據(jù)的空間信息互補，有效提升了復(fù)雜幾何條件下的預(yù)測魯棒性。
該方法僅需5分鐘訓(xùn)練數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)高精度預(yù)測，且無需額外昂貴設(shè)備，為LP-DED系統(tǒng)的閉環(huán)控制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，具有重要意義。未來研究可進一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、擴展訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，并探索與其他工藝參數(shù)（如激光功率、送粉速率）的協(xié)同控制。