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蘇州大學(xué)激光加工中心

蘇州工業(yè)園區(qū)激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟協(xié)會(huì)

江蘇省激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

近年來(lái)各國(guó)高度關(guān)注的激光增材制造技術(shù)（俗稱(chēng)3D打印）能夠在無(wú)需任何模具和工件的條件下，根據(jù)計(jì)算機(jī)三維模型，通過(guò)激光逐層熔化成形的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件直接近凈成形。該技術(shù)具有制造周期短、材料利用率高、工藝柔韌性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，對(duì)制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了重要影響，在工業(yè)生產(chǎn)，航空航天，醫(yī)學(xué)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域有著廣泛且重要的應(yīng)用。然而，諸多技術(shù)上的挑戰(zhàn)阻礙了激光增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)揮它擁有的巨大潛力，其中最大的一個(gè)障礙就是最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)，尤其是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著極高要求的領(lǐng)域如航空航天和醫(yī)學(xué)醫(yī)療領(lǐng)域，因此需要對(duì)激光增材制造過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。通過(guò)對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，以減少缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的尺寸精度和力學(xué)性能，最終達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

目前很多國(guó)內(nèi)外的研究人員在如火如荼地對(duì)激光過(guò)程監(jiān)控進(jìn)行研究，他們研究出了很多能對(duì)激光增材制造過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)只要集中在對(duì)熔池的物理參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)檢測(cè)和對(duì)組件的缺陷進(jìn)行檢測(cè)并且通過(guò)反饋控制減少這些缺陷上。激光監(jiān)控過(guò)程主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是數(shù)據(jù)采集，一個(gè)是數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集主要有兩個(gè)部分，熔池形貌和熔池溫度，熔池形貌一般是通過(guò)CCD相機(jī)或紅外相機(jī)得到，熔池溫度一般是通過(guò)光電二極管或高溫計(jì)測(cè)得。數(shù)據(jù)處理是指將測(cè)得到的數(shù)據(jù)經(jīng)加工后傳送給控制器，由控制器對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置更新，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行有效的控制，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高。值得注意的是控制器使用的控制方法有多種，有傳統(tǒng)的PID控制，有模糊控制，還有人工智能控制如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，目前使用最為成熟的是傳統(tǒng)PID控制，目前研究的熱點(diǎn)是各種人工智能控制方法。

下面介紹一個(gè)具體控制系統(tǒng)的工作過(guò)程及結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)激光金屬沉積實(shí)驗(yàn)，目的是通過(guò)控制使產(chǎn)品的外形精度得到提高。圖1是一個(gè)激光金屬沉積實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的外形尺寸精度與制造過(guò)程中的熱輻射信號(hào)有很大的關(guān)系，當(dāng)熱輻射信號(hào)保持不變時(shí)，熔池的尺寸基本不變，熔池尺寸的穩(wěn)定會(huì)提高產(chǎn)品外形的尺寸精度。圖2是激光金屬沉積監(jiān)控過(guò)程圖，該過(guò)程使用了自適應(yīng)PID控制方法，測(cè)量的得到的熱輻射信號(hào)輸入到自適應(yīng)PID控制器，控制器輸出控制信號(hào)，控制信號(hào)作用到激光發(fā)射器，調(diào)節(jié)激光功率使熱輻射信號(hào)強(qiáng)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(duì)比這兩個(gè)圖可以看出使用了控制系統(tǒng)的過(guò)程的熱輻射信號(hào)相對(duì)穩(wěn)定，基本保持在設(shè)定值2，對(duì)應(yīng)的熔池的尺寸也穩(wěn)定，熔池最大與最小相差0.1mm；未使用控制系統(tǒng)的過(guò)程的熱輻射信號(hào)增大，對(duì)應(yīng)的熔池尺寸增大，熔池最大與最小相差1.27mm。

產(chǎn)品的宏觀形貌圖如圖5和圖6所示，對(duì)比這兩個(gè)圖可以明顯看出使用了控制系統(tǒng)的產(chǎn)品表面更加光滑，高度和寬度更加均勻，寬度的變化從63.6%下降到12.5%，可見(jiàn)這個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)達(dá)到了提高產(chǎn)品外形精度的目的。

當(dāng)然這只是激光監(jiān)控過(guò)程的其中一個(gè)應(yīng)用，針對(duì)不同的目標(biāo)，如減少產(chǎn)品的缺陷，提高產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度和各種力學(xué)性能等等，研究人員提出了各種的控制系統(tǒng)和控制方法。

圖5 未使用控制系統(tǒng)的產(chǎn)品宏觀形貌         圖6 使用了控制系統(tǒng)的產(chǎn)品宏觀形貌

 

    目前的研究表明由于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過(guò)程的集成十分復(fù)雜、測(cè)量工具與傳感器的局限、實(shí)時(shí)控制的難以實(shí)現(xiàn)等因素，許多的系統(tǒng)尚未在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用，該研究尚處于發(fā)展階段，相信在不久的將來(lái)，隨著研究的不斷的深入，激光增材制造監(jiān)控技術(shù)得到更成熟的發(fā)展和實(shí)際的應(yīng)用。