增材制造过程监控技术现状综述★

叶志鹏 ， 李骞 ， 雷柏茂 ， 朱嘉伟 ， 欧永

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究中心，广东 广州 510610；3.广东省发改委国家与地方联合工程中心，广东 广州 510610；4.泰州赛宝工业技术研究院有限公司，江苏 泰州 225500）

0 引言

增材制造技术是当前工业界、学术界的一个研究热点，特别是GE等工业巨头，业已实现多款增材制造制件的装机试用[1]。

尽管增材制造技术已经取得了较好的发展，但其工艺难以实现标准化，制件的质量一致性难以保证。例如：使用同一台装备加工的同一个零件，最终的力学性能和几何精度都可能会出现较大的偏差。究其原因，主要是因为目前增材制造工艺一般采用开环或半闭环控制，对于中间过程的监控相对有限，对工艺变动及其产生的影响的认识不够透彻。为此，本文对国内外现有的和在研的增材制造在线监控技术展开了综述，并总结了现有的监控手段所面临的问题。

1 增材制造技术的分类和功能框图

1.1 增材制造技术的分类

增材制造技术最近几年的广泛应用使得人们对其的认识也越来越清晰，采用ASTM分类标准[2]，现有的增材制造工艺主要包括以下8种，即光聚合、粉末床融化、粘接剂喷射、材料喷射、层压、材料挤出、直接能量沉积和混合增材制造。

1.2 增材制造加工系统的影响因素和功能框图

增材制造工艺系统的综合性能主要体现在加工范围、单次加工的成型质量 （与时间无关）和成型质量的稳定性 （与时间相关）上。因此，工艺系统的综合性能不仅与加工装备的软硬件水平有关，还与被加工对象、工艺规划的选择等有关。增材制造装备的硬件系统主要包括材料输送系统、运动、能量控制系统、加工头、监控系统和外围 （包括冷却系统和预热装置等）。增材制造的过程控制框图如图1所示，包括模型输入、控制系统、执行机构和过程监测系统等部分。其中，材料的监控 （例如：送粉和铺粉质量的监测）、成型腔环境的监测和微区的监测 （微区指的是金属成型中的熔池、树脂成型中的反应区和粘接剂喷射成型中的凝固区等处于融/熔状态的区域）等属于增材制造过程中特有的监测对象，也是增材制造系统与普通加工系统在过程监控中的本质区别。

图1 增材制造过程控制框图

2 国内外现有的增材制造过程监控系统的特点

从图1中可知，增材制造过程的控制对象主要为运动、材料和能量，由于运动控制相对成熟，因此本文着重地介绍材料输送系统监控和加工头系统监控。此外，成型腔内的环境对成型精度、质量保持性具有重要的作用，因此也作为过程监控系统的一个环节。特别地，对于金属增材制造而言，熔池的状态及其变化对制件的最终质量具有决定性的作用，因此，熔池的监控是目前金属增材制造过程监控系统的研究热点。

2.1 材料输送系统的过程监控

对材料的监控会随着材料输送方式的不同而有较大的区别。材料输送方式主要有送丝、喷粉和铺粉等。

采用送丝方式输送材料时，主要通过2～4个驱动滚轮以碾压的方式送进，需要保证材料送进时稳定、可靠，因此，优质的增材制造装备均具有速度反馈的伺服电机作为送丝机构的驱动电机。其次，为了提高电机的送丝稳定性，研究者提出采用模糊算法、自适应滑动模型等控制手段，以提高控制质量。上述送丝机构的控制方法均采用开环或半闭环方式，这种控制方法虽然能够使得驱动电机运行得更加稳定，但对于材料输出的质量却未作定量的评价，例如：材料挤出中热熔喷头内熔融材料的输入压力、速度等。采用送丝方式的能量直接沉积工艺的送丝机构一般与自动焊接中的送丝机构原理一样，但由于焊接时对形状要求不高，因此对送丝机构的性能要求也不高。但在增材制造过程中，对于不同的沉积部位，需要实时地改变送丝的速度，甚至改变送丝头的俯仰度[3]，因此丝材送进的响应特性及稳定性尤为重要。熔滴过渡对于激光或电子束类增材制造一直是一个难以解决的问题，而送丝特性曲线与熔滴过渡过程直接相关，因此需要送丝机构能够满足不同的过渡过程选择，即需要保证送丝的高精度、低延时和小超调等[4]。

喷粉方式的材料送进多采用同轴喷粉头来实现，喷粉头直接集成到激光加工头前端。通过送粉器产生具有一定流速、压力的粉末流，再通过送粉管输送到喷粉头的多个输出口，并喷射汇聚到一点。整个过程中，粉末汇聚的大小、速度等是最终考察的量，并且其对成型精度、致密度和材料的利用效率等具有较大的影响[5]。

铺粉方式具有多种，料筒下置式的铺粉用得较多的是刮板和滚轮方式，料筒上置式的则多使用刮板和振动落粉，而铺粉过程中关心的指标是平整度、层厚误差、致密度和铺粉效率等。粉末的平整度和层厚误差会影响成型质量的均匀性，甚至会导致缺陷的出现，例如：铺粉存在凸点或凹点，激光作用后容易出现熔化不充分或者过烧的现象，再如在厚度过厚时，容易造成层间熔化不充分，结合力不足，而厚度过薄则会导致热影响区过大，熔池凝固过程中内应力较大，并且进一步地导致缺陷的出现。而铺粉致密度不足时，也会导致制件最终的致密度较低，难以实现全密度的增材制造。由于粉末较细，只能使用非接触式的方法来获得铺整状态。其中，照相技术能够获得整个铺粉表面的二维或三维信息，并且测试时间较短，因此被广泛地使用[6-7]。其他非接触式的、用于测量层厚或不平整度的距离传感器包括激光测距仪等。激光测距仪只能定点测试，不能获得整个铺粉层面的信息，因此必须建立在经验和模型假设之上。此外，照相技术能够获得每一层打印的图片，在打印过程中可以实时地观察打印的效果，同时，可以对缺陷的出现进行预测，并采取必要的修复措施。

2.2 加工头系统的过程监控

加工头系统指的是能量来源，包括激光加工头、电子枪、 （阵列）喷头、振镜系统或者焊枪等能量输出装置，以及能量源和能量传递部分。由于能量源和传递部分往往较为成熟，也具有一定的反馈控制，因此，这里重点讨论能量输出装置的过程监控。

高能束加工头往往需要对能量密度、密度分布和能量波动进行监控，以保证加工过程中稳定的能量输入。3D System公司针对立体光固化技术中激光的漂移误差和指针机构重复性扫描的精度问题设计了一种漂移定期校正装置和方法，采用光束传感器和光电探测器来确定漂移误差，并设计了一种漂移校正算法以补偿漂移误差[8]。此外，3D System还设计了一种光束强度和功率监测装置，通过光束分析传感器对光束移动进行检测，并进一步地通过控制光束扫描机构的运动来检测出光束宽度和液态树脂深度的分布强度[9]。而电子枪系统除了能量方面的监控，还需要保证枪内的真空度。

喷头系统主要用于粘接剂喷射、材料喷射和材料挤出成型3类非金属增材制造工艺。上述3类工艺分别对应3种主要的材料类型，粘接剂喷射成型的材料一般为聚合物粉末、陶瓷粉末等；材料喷射成型的材料主要是液态树脂等；而材料挤出成型的材料主要是丝状聚合物，但某些特殊的工艺还可能选用注塑成型的方式，使用塑料颗粒作为原料，而将注塑的模具换成一个高频挤出喷头，形成一个增材制造装备。粘接剂喷射和材料喷射一般采用物理或化学的方式进行成型加工，因此一般不涉及热量的转化。而材料挤出成型工艺主要使用加热、加压的方式使固态的材料变为具有一定流动能力的熔融状态，再通过喷头挤出成型。熔融态流体的特性决定了喷头挤出的效果，进一步地决定了成型的质量。因此，大部分材料挤出成型装备都具有挤出头温度反馈，并设计了挤出头冷却装置以提高其使用寿命。然而，温度信息对于流体来说仅仅是一个方面的因素，要研究挤出过程的流动状态还需要了解流体的压力和粘度等参数。为此，Batchelder等设计了一种能够实现熔融流体流量动态控制的热熔喷头，该喷头即通过监测流体压力获得流体的流动特性，使挤出材料流量驱动机构和消耗材料进给率成为闭环控制[10]。

2.3 成型环境的过程监控

成型环境不仅包括气体环境，还包括成型过程的材料环境 （主要是铺粉过程的粉末预热温度、能量直接沉积成型的基底冷却环境等）。对气体环境的监测主要是封闭腔内的增材制造，例如：选取熔化、电子束金属直接成型等工艺。对环境进行控制，一方面是装备使用的要求，例如：电子枪；另一方面主要是为了提供一个更优质的成型环境，以避免某些恶化现象的出现，例如：控制氧含量以避免钛合金在成型过程中的溶解。上述监测的是气体环境中的气体成分，主要体现为氧的含量或惰性气体的浓度。通过将氧含量信息反馈至控制系统中，便能实时地通过控制气体循环系统的气体流量实现成型气体环境的稳定控制。

成型环境的另一个监控目标是材料的温度。某些工艺需要将预置材料进行加热处理，使得成型时应力减小，从而避免由于膨胀量不同而导致缺陷出现，同时降低翘曲程度。预置埋入式的热电偶或热像仪是测量预热温度情况的常用手段。预热过程仅需对最顶层附近进行，并且不能破坏铺粉表面平整度，因此预热一般使用热辐射的方式进行。Price S[11]对电子束增材制造过程进行温度监控，采用红外热像仪作为温度测量仪，测量温度范围为600～3 000℃。冷却水路的设计主要是为了迅速地带走高能束加工中产生的大量热量，使得某些具有较好塑性的金属材料冷却下来后热变形变得尽可能地小。温度的稳定控制是冷却过程的主要研究内容，与预热系统一样，均属于温度控制的范畴，但冷却的驱动力是冷却水的热交换，而预热的驱动力是电加热产生的热辐射。因此，控制算法的研究是成型材料温度控制的关键。模糊控制、参考模型自适应控制等方法的提出为温度调控过程提供了较好的控制手段，前者是常用的温度控制手段，对温度的控制是建立在温度均匀化假设程度上的，但模型形状变化较大或者材料性能变化明显时，该算法会产生较大的误差；而后者是基于成型模型提出的控制算法，根据切片形状的不同而设置了不同的控制算法，因此适应性更强。

2.4 熔池的过程监控

对熔池的监测的目的主要是为了获得熔池内的温度、形状和大小，从而获得制件的每一个熔池的成型信息。温度和熔池几何信息一方面可以直观地显示打印过程的温度状态，另一方面也能够为缺陷预测提供依据。

由于熔池附近的温度较高，并且温度梯度极大，因此熔池温度的测量一直是高能束加工领域的一个难点。熔池测温传感器一般都是辐射式的。使用接触式的热电偶作为测温传感器也是一种获得熔池的整体温度或最高温度的可选方案，但热电偶只能获得单点的温度，并且无法直接测量熔池的温度，需要建立在一定的假设条件下，通过热传导模型反求熔池温度，因此测量准确性不高。这里着重讨论非接触式的辐射测温传感器。

辐射式测温传感器具有光热型和光电型两种。光热型利用的是红外辐射热效应使得器件的电阻、电容发生变化来进行工作的，也被称为非制冷型探测器；而光电型利用的是光电二极管的光电效应来进行工作的，通过光电二极管的反向电流随光强的变化而变化的原理进行测量的，因此用光电二极管作为感温元件的热像仪获得的最准确的是光强信号，亦被称为亮度温度或辐射温度。物体的实际温度与亮度温度或辐射温度之间存在一定的对应关系，通过这种对应关系将即可将物体的实际温度计算出来，这便是光电二极管的测温原理。

辐射式测温根据所使用的辐射波段 （光谱）的数量分为单色法测温、多光谱辐射测温和全辐射测温3种。当采用特定波段的辐射能通过普朗克定律来计算温度时，被称为单色 （波长）法测温，例如：光学高温计、红外测温仪等；当采用多个波段的辐射能量来计算温度时，被称为多光谱辐射测温，例如：比色温度计、比色红外测温仪；而采用全波长范围的辐射能量，由Stefan–Boltzmann定律积分来求得物体的温度时，被称为全辐射测温法，例如：辐射温度计 （热电堆）。

文献 [12]综述了辐射测温的发展现状。与单色测温法和全辐射测温相比，比色法测温不会随物体表面的状态而变化 （表面粗糙度不一样或表面的化学状态不一样），不会影响测温的准确性。比色测温仪是通过测量物体在特定的两个波段范围内的比值，当出现灰尘、水汽等，所测得的两个波段范围内的信号同时下降，相除以后，比值不变；而单色测温和全辐射测温都需要知道被测物体表面的实际发射率；对于发射率较小的物体，单色法和全辐射测温的相对误差较大，此时适合采用比色法测温。此外，单色测温仪不能测量比视场范围小的物体。当目标不能充满视场时，会使测量温度变低，而比色测温仪能测量比视场范围小的物体。因此，比色测温法比单色测温法对被测物的要求更低。

增材制造过程中的熔池测量主要采用高速摄像机和高温计、红外热像仪等测试设备。熔池监测的工作模式是将熔池的辐射光通过镜头和中间的过滤器采集到探测器上，探测器再传输给图像采集卡进行信号处理和温度场或图像计算，通过设定阈值对工艺参数进行闭环控制，与图1的工作过程基本一致。在有的情况下，计算得到的温度场和图像并不作为反馈使用，而形成一个监测模块，采集到的温度和图像信息仅作成形信息记录使用。较为典型的一种高速相机及测温元件的集成方式如图2a所示，其属于一种同轴监测方法，即监测模块直接集成到加工装备中，但该方法需要对原装备进行一定的改造，Clijsters[13-15]等搭建的监控装置采用的就是这种方式。旁轴监测的典型模式如图2b所示，相对来说，旁轴监测的方法实现过程相对简便，不需要对原加工装备进行太大的改动，Krauss[16]和Atwood[17]等搭建的监控装置采用的是此类监控集成方式。

图2 熔池在线监测方法

3 结束语

本文首先分析了影响增材制造加工工艺系统综合性能的关键因素，以及各种关键因素之间的相互关系，并从不同的因素出发，综述了国内外增材制造在过程监控方面的研究情况。对现有增材制造过程监控系统研究的重点和现存问题总结如下。

从控制系统集成方式来看，现有的增材制造过程监控系统分为一体式的监控系统和独立式的监控系统。国内提出的增材制造过程监控系统大体都属于一体式的，即监控系统直接嵌入到控制系统中，信号处理也由控制系统实现。一体式的监控系统的优点是能够充分地利用资源，但不可避免地，该类监控系统的移植性差，处理器负荷高。独立式的监控系统往往带有独立的前处理和信号后处理功能，通过反馈接口与控制系统进行交互。该类监控系统可配置性强，不受控制系统处理器能力的限制，并且可移植性较强，比较适合用于新产品研发和设备性能提升中。但独立式的监控系统存在成本高、技术难度大等问题。

从国内外对增材制造过程监控系统的研究进度可见，目前国内外的研究重点依然集中在系统的集成和温度场的准确计算上，只有国外几个较为成熟的装备制造商和研究机构对温度场和其他监测信息进行了深入的后续处理和分析，并且建立了监测信息与缺陷以及工艺参数之间的联系。其中，采样速率和处理速度是目前实现闭环控制的最大瓶颈。

此外，现有的增材制造过程监控系统的主要目的是调整工艺参数、保证加工过程的稳定性和使用监测信息对制件的缺陷进行分析，而未考虑装备性能预测和工艺稳定性预测等方面的问题。更进一步地，对于增材制造装备寿命预测问题目前仍然没有进行深入的研究。