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一種基于多模態(tài)傳感器融合的激光定向能量沉積實時間隙高度估計方法

供稿人:張益?zhèn)ァ顝?供稿單位:西安交通大學精密微納制造技術(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(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(因光學色差導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)絡進行融合預測,網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)包含視覺與聲學分支的獨立特征提取層及聯(lián)合預測層(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 麥克風和同軸相機的位置
圖4 多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡架構(gòu)及訓練損失曲線

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,預測值與實測值誤差小于±200 μm,滿足實時控制需求。聲學數(shù)據(jù)的高頻特性與視覺數(shù)據(jù)的空間信息互補,有效提升了復雜幾何條件下的預測魯棒性。

該方法僅需5分鐘訓練數(shù)據(jù)即可實現(xiàn)高精度預測,且無需額外昂貴設備,為LP-DED系統(tǒng)的閉環(huán)控制奠定了技術(shù)基礎,具有重要意義。未來研究可進一步優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、擴展訓練數(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。

參考文獻:

  1. HERBERGER C, KIMMELL J, FELDHAUSEN T, et al. Multimodal sensor fusion for real-time standoff estimation in directed energy deposition [J]. Additive Manufacturing, 2025, 97(104598. 供稿人:張益?zhèn)?、楊?供稿單位:西安交通大學精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室
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