激光熔覆3D打印智能化控制技术必要性研究

激光熔覆3D打印智能化控制技术必要性研究
陈斗;戴圣伟;李玲
【摘要】This paper studied from 4 aspects of necessity, which are the significance of the project, research status at home and abroad, the key problems to be solved, and the innovation of laser cladding 3D printing intelligent control technology. Research on the necessity of intelligent control technology of laser cladding 3D printing.%从激光熔覆3D打印智能化控制技术的重要意义、国内外研究现状、拟解决的关键问题、创新之处等4个方面对激光熔覆3D打印的智能化控制技术的必要性进行了研究。

【期刊名称】《科技创新与生产力》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】3页(P76-77,80)
【关键词】激光熔覆3D打印;智能化;控制技术
【作者】陈斗;戴圣伟;李玲
【作者单位】湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲 412000;湖南工业大学，湖南株洲 412000;湖南铁路科技职业技术学院，湖南株洲 412000
【正文语种】中文
【中图分类】TM401
激光熔覆3D打印(即激光熔覆成型)技术不用模具，用CAD软件制作一个零件模型，电脑编程后用成束的激光扫描于工件上，使工件上的金属粉末熔化、一层一层
融合在一起并堆积，最终形成一个致密的金属零件（见图1）。

这种技术能一步成型金属零件，而经智能化过程控制后成型的致密金属零件是近净形的，几乎不用后续加工，真正实现快速、熔覆3D打印金属零件。

它提供的原型零件既能作为产品开发、设计用的概念、性能检测样品，又能直接作为功能零件使用。

激光熔覆成型技术能使产品的开发至投入市场的时间极大地减少，并且使产品开发成本极大地降低，尤其能使产品的制造更快速、柔性、个性化、多样化，在新产品开发和单件小批量生产中具有无可比拟的优势，便于实现网络制造，也适合经济全球化的趋势，在新型汽车制造、医疗、仪表等民用领域能更高效地制造高精尖零件，在航天、军工领域能更好地制造高性能特种零件，特别是能制造以往极难加工的梯度功能材料、超硬材料，还能快速制造金属间化合物材料零件，所以此项技术应用前景广阔。

目前激光熔覆3D打印出的零件还有些缺点，比如质量稳定性较差，达不到用户要求的精度和粗糙度，要对零件进一步加工才行，所以这种技术的局限性导致它没能更好地应用于生产中。

零件质量稳定性较差的原因有：在制作零件的过程中，一些工艺参数会波动，结果在零件某些地方形成的熔覆带的形状和大小不符合预期；当熔覆进行时还会扩大已形成的缺陷，使突起的地方更突，陷下的地方更陷，厚的地方更厚，薄的地方更薄（见第76页图2）。

这样零件粗糙度和精度均不符合预期，最严重的是导致零件不能成型。

由于激光熔覆3D打印过程中的熔覆状态与工艺参数之间关系复杂，影响因素众多，不能找到精确的数学模型，而传统控制方法依赖于精确的数学模型，因而难以发挥作用。

目前激光熔覆3D打印的过程控制系统的研究还没有大的突破，控制效果还不好，制约了这种技术的发展。

智能控制系统无需精确的数学模型，把智能技术融合于激光熔覆3D打印工艺中，对熔覆3D打印过程进行在线的实时智能化诊断与控制，提高和稳定制件质量，真正实现致密金属零件的快速、熔覆3D打印。

因此该项目具有十分重要的意义。

目前国内外尚无系统的智能化激光熔覆3D打印金属零件技术，也没有把智能技术融合于激光熔覆3D打印技术中的文献报道案例。

下面介绍激光熔覆3D打印技术及其控制技术的国内外研究现状与发展趋势。

1979年美国联合技术研究中心（UTC）利用高能束沉积多层金属制作出大体积的金属零件，首创了激光直接快速制造金属零件的技术。

20世纪90年代中期，UTC与美国桑地亚国家实验室合作开发了激光工程化净成形技术，AeroMet公司研究开发了Lasform（Laser Forming）技术，美国Los Alamos国家实验室开发了“直接光学制造”技术，美国密歇根大学研究开发了直接金属沉积技术，美国Stanford University和Carnegie Mellon University合作开发了形状沉积制造技术。

这些技术实质上都是激光熔覆3D打印技术，只不过称谓不同而已。

并且此激光技术已经在航空、国防等领域有了一些应用，例如，AeroMet公司成型的钛合
金构件已经用在实际飞机上。

相比国外而言，国内的研究起步较晚，西北工业大学、清华大学、北京有色金属研究总院、北京航空航天大学、华中科技大学、湖南大学等单位曾有过一些研究。

针对制件质量问题，有两种措施可以采用，一种是闭环控制系统（见图3），一种是激光熔覆与铣（磨）削组合系统。

美国桑地亚国家实验室根据激光三角测量原理实时检测未熔覆点和熔池附近已熔覆点的高度差，计算出单层熔覆的厚度，用反馈回来的层厚信息来控制激光的扫描速度或功率，从而保持单层熔覆厚度与设定值相等且维持不变；美国Los Alamos国家实验室能够控制激光扫描速度和功率，从而控制单层熔覆厚度在0.3～2.5 mm之间，且控制成型零件的表面粗糙度约10 μm，精度在± 0.12 mm内；美国密歇根大学DMD技术能实时反馈控制熔覆层高度、
化学成分和显微组织；E Fearon等提出调节粉末流几何形状控制熔覆带高度。

国
内清华大学宁国庆等对熔覆层高度进行实时监测，检测出凹凸点，调节粉末输送量，控制制件质量。

长沙嘉程机械制造有限公司刘继常等提出了实时运动控制的方法。

激光熔覆与铣（磨）削组合系统的例子有：美国Missouri Rolla大学开发了一套五轴混合PR系统，其采用的激光辅助制造工艺吸收了沉积—去除制造技术；德国弗朗和夫生产技术研究所应用材料添加和去除方法开发了控制金属堆积技术。

总的来看，激光熔覆3D打印零件质量控制的研究目前主要集中在实时监测系统和反馈控制技术方面，虽然在一定程度上提高了制件质量，但是还存在控制精度不高和控制滞后的问题，而激光熔覆与铣（磨）削组合工艺实际上削减了激光熔覆3D打印技术的优越性。

光电子技术和软件设计的发展提高了检测与控制数据的精度和速度，加快了信息传输速度，因此激光熔覆3D打印系统硬件越来越完善，提高了过程控制的精度，减小了控制滞后的程度。

而且控制理论类学科的发展使激光熔覆3D打印过程的控制方法和手段进行了改头换面的革新。

1）设计系统结构。

2）建立一个便于过程智能控制中快速计算的近似预算模型。

3）确定用于智能控制的专家系统数据库（知识库和综合数据库等）的结构及其数据（包括知识和定义模型的数据）管理和更新的
规则、方法。

4）设计过程诊断与控制的算法，即计算机如何判定过程中实时熔覆状态是否达到预期要求和如何根据熔覆状态与工艺参数间的复杂关系调节工艺参数实现控制目标的方法。

5）确定检测方法，即如何从不规则的熔覆层表面实时检测到诊断与控制所需的即将熔覆前后的状态特征量的方法。

1）首次提出应用智能技术解决激光熔覆3D打印金属零件中的问题。

2）采用近似模型计算与知识运用相结合的方法提供工艺参数的控制值，即所谓的“中西医结合疗法”。

3）专家系统是“自学型”的，“专家”是系统本身。

4）近似模型可在制造过程中在线修正，基本上是在线进行知识补充与更新，数据库的数据源由实时检测到的工艺参数值、熔覆状态数据组成，与一般的主要在过程结束后收集数据不同。

5 结束语
该项目把能技术融合于激光熔覆3D打印工艺中，使控制的方法、手段发生了质的飞跃，能真正实现金属零件的3D打印，具有广阔的应用前景。