在电子束自由成形制造过程中，实时可视化监控和控制熔池宽度以确保几何形状的一致性

《Additive Manufacturing》：Real-time visual monitoring and control of molten pool width for geometric consistency in electron beam freeform fabrication

熔池宽度实时视觉监控与闭环控制技术在电子束自由成形薄壁制造中的应用研究，通过机器视觉系统稳定控制熔池宽度，实现±0.5mm精度，减少后加工需求，验证系统在变速度、异质基体条件下的鲁棒性。

　　

李子翔|廖振宇|王家琛|常宝华|梁志月|崔一楠|杨光|王杰|刘长猛|杜东

清华大学机械工程系，北京100084，中国

摘要

电子束自由成形（EBF3）技术因其独特的高真空环境、高沉积效率和出色的空间适应性而受到了广泛关注。然而，多参数的复杂性和沉积条件的时变性通常使得难以确保熔池宽度的稳定性，这反过来又对薄壁零件的几何一致性造成了巨大负担。因此，本研究提出了一种基于实时视觉的监测与控制系统，旨在调节熔池几何形状以提高精度。实验结果表明，所开发的图像处理子系统能够快速准确地提取熔池宽度。单帧的处理时间约为17.65毫秒，提取精度小于0.2毫米。基于该闭环控制子系统，熔池宽度可以稳定且有效地控制在目标值±0.5毫米范围内，大大减少了后续加工的需求。此外，变速和异质基底沉积实验表明，本研究开发的系统能够有效抵抗干扰并表现出良好的鲁棒性。这项工作为高精度增材制造（AM）提供了一种鲁棒且经济高效的策略，标志着航空航天行业智能可靠制造系统的重要进展。

引言

近年来，由于无模具加工、制造周期短和设计灵活性高，增材制造（AM）技术得到了快速发展，在航空航天、汽车和化工等行业展现出显著的应用潜力[1]、[2]、[3]、[4]。作为源自美国国家航空航天局（NASA）的基于丝材的AM技术分支，EBF3以其高真空环境、高沉积效率和材料利用率而著称[5]、[6]、[7]。目前，该技术在航空航天领域的大规模薄壁零件（如图1所示的网格鳍片、推进剂储罐和火箭喷嘴）中具有广阔的应用前景。此外，关于其在钛[8]、[9]、铝合金[10]、[11]和各种钢材[12]等常见材料加工中的应用也进行了大量研究和报道，充分证明了其巨大的应用潜力。

然而，由于沉积过程的多参数复杂性和时变性，EBF3技术目前面临的一个关键挑战是薄壁零件在自由沉积模式下的成形尺寸稳定性较差[13]、[14]，这不仅导致几何尺寸不理想和原材料消耗增加，而且过度超尺寸还需要后续加工，从而导致大量材料浪费和较高的加工成本（如图1(a)所示）。在昂贵金属（如钛合金）或大型组件的增材制造过程中，这些问题将更加突出，这在近净成形（near-net shaping）方面是不理想的。其主要原因在于沉积过程中非稳态温度场的变化，这会改变熔池的尺寸[15]、[16]。例如，在沉积过程开始时，由于基底较冷，熔池倾向于呈现较高且较窄的形态；随着热量逐渐积累，熔池会演变成较平且较宽的形态[17]。尽管通常会采用适当的开环预设工艺参数来尽可能确保尺寸一致性，但这些参数往往难以适应操作条件的动态变化。熔池是沉积过程的基本构建单元，其尺寸的稳定性是保证成形尺寸一致性的前提。如果能够在沉积过程中调节熔池的大小并将其保持在目标值附近，将显著降低原材料成本、材料浪费率和工艺成本（如图1(b)所示）。因此，在成形过程中干预熔池大小变得非常重要且紧迫。

对熔池尺寸的在线监测结合其宽度的闭环控制被认为是解决熔池稳定性的有效手段[18]、[19]。此外，由于视觉信号具有信息丰富、实时和非接触的特点，成为监测熔池大小的首选方法[20]、[21]。目前，已有研究人员基于这项技术在电弧或激光丝材增材制造过程中进行了初步研究，而非EBF3过程。例如，熊等人利用被动视觉监测电弧丝材增材制造过程中的熔池宽度，并开发了模糊控制器来动态调整电弧电流以调节熔池宽度。通过不同熔池宽度的沉积实验验证了该系统的有效性[22]。Gibson等人尝试通过在线调节激光功率、打印速度和沉积速率来保持熔池尺寸的稳定性。结果表明，所开发的算法能够很好地控制熔池宽度[23]。Bohn等人对电弧定向能量沉积中的熔池尺寸进行了闭环控制，通过动态调整焊接电源来维持所需的熔池尺寸[24]。上述研究有效地证明了基于丝材的增材制造领域中熔池闭环控制的可行性，并在一定程度上提高了自动化水平。

尽管上述研究有效推动了基于丝材的激光或电弧增材制造技术的发展，但据我们所知，关于EBF3过程中熔池宽度闭环控制的研究非常有限。只有我们之前的研究初步报道了通过调节束流电流（Ib）来操纵熔池的可行性[25]。然而，由于相机工作时间和安装角度的限制，我们仅尝试在单层沉积过程中（类似于传统的丝材填充焊接）从正面视角控制熔池宽度，这与实际的增材制造过程有很大不同。因此，迫切需要开发一种针对EBF3技术特点的熔池宽度在线监测系统和闭环控制系统，从而填补研究空白并推动该技术的自动化发展。

因此，在本研究中，基于先前开发的抗蒸汽相机，从自上而下的视角对熔池宽度进行了系统的在线监测和闭环控制。开发了相应的熔池宽度图像处理方法，并验证了闭环控制系统在单层和多层沉积过程中（不同移动速度和冷却条件）的有效性。这项研究对于解决当前EBF3沉积过程中的不稳定性、材料浪费和高后处理成本问题具有重要意义，并有可能进一步推动该技术的自动化发展。

部分摘录

基于丝材的电子束增材制造设备

本研究中使用的EBF3设备的原理如图2(a)所示，主要包括四个主要模块：电子枪、控制系统、高压电源和真空室。控制系统协调各个模块的协同工作。电子枪安装在机床的龙门架上，能够在X和Z方向上移动，而Y方向上的移动主要由工作台完成。

熔池宽度提取

本研究采用机器视觉技术在沉积过程中实时监测熔池宽度。在测量之前，首先对相机进行了校准，以定量补偿观察角度和相机位置对监测结果的影响（如图4(a)所示）。使用从20多个视角捕获的棋盘格校准板（网格尺寸为1.5×1.5毫米）来获取相机的内部和外部参数。

工艺建模和控制器设计

在确保准确监测熔池宽度的基础上，如何实现其闭环控制是本研究的另一个挑战。本研究旨在通过在线修改束流电流值来改变沉积过程中的线能量，从而操纵熔池宽度。选择这种方法主要是因为束流电流易于控制，并且对熔池尺寸有显著影响[28]。

变速沉积

基于开发的闭环控制系统，本节尝试进行了控制实验以验证其有效性。在沉积过程中，将沉积速度的变化作为对线能量的干扰（从200厘米/分钟到300厘米/分钟）。沉积了一个长度为120毫米的3层薄壁部件，分别进行了有控制和无控制的比较，结果如图9所示。

从图9(a)可以看出，在开环控制下熔池宽度显著减小。

讨论

根据上述实验结果，可以明确验证在线调节束流电流值可以实现熔池宽度的实时控制。然而，增材制造技术是一个多变量且强耦合的过程，沉积过程通常受到多种因素的影响[35]、[36]。特别是，熔池宽度、电子束强度、液滴传输模式和制造样品的形状都是相互耦合的。

结论

由于基于丝材的电子束增材制造过程中的多参数复杂性和沉积条件的时变性，保持熔池宽度的稳定性具有挑战性。因此，在本研究中，使用机器视觉方法监测熔池宽度，并通过在线调节束流电流进行闭环控制。开发并验证了相应的熔池宽度图像检测算法和闭环控制算法。主要结论如下：

作者贡献声明

李子翔：撰写——原始草稿、验证、方法论、研究、资金获取。杜东：监督、方法论、资金获取。刘长猛：撰写——审阅与编辑、监督、研究。王杰：撰写——审阅与编辑、方法论。杨光：方法论、研究。崔一楠：撰写——审阅与编辑、研究。梁志月：方法论、研究。常宝华：验证、监督、资源。王家琛：撰写——审阅与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4603000, 2022YFB4601900）、国家自然科学基金（52505400, 52375349）、国家资助的博士后研究计划（GZC20240817）、水木清华学者（2024SM038）和清华大学博士生计划的支持。作者感谢洪宇翔教授对控制器改进提出的建设性建议。