《Additive Manufacturing》：Layer-wise adaptive control of thin wall geometries in Laser-Powder Direct Energy Deposition
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为解决激光定向能量沉积（DED-LB/M）过程中因工艺参数波动、几何形状变化及喷嘴堵塞等因素导致的零件高度不均匀、表面不平整等问题，研究人员开展了一项关于自适应层高控制策略的研究。该研究通过集成离轴相机实时监测熔池与打印头间距（stand-off），开发了比例-积分（PI）控制算法，动态调整每层打印路径中打印头的Z坐标。结果表明，该控制策略能显著降低零件非平整度RMS误差（最低至0.18 mm），并优化平均单层厚度（最高达280 μm/层），有效提升了DED成形零件的几何精度和打印效率，对实现高精度、高稳定性的增材制造具有重要指导意义。相关成果发表于《Additive Manufacturing》。
在金属增材制造领域，激光定向能量沉积（DED-LB/M）技术因其高效率、可加工大尺寸零件以及修复再制造能力而备受关注。然而，该技术在实际打印过程中，常常面临一个棘手的挑战：打印出的零件表面往往起伏不平，几何精度难以保证。究其原因，工艺参数（如激光功率、扫描速度、送粉率）的微小波动、零件几何形状的复杂性（如尖角处易产生材料堆积），甚至打印过程中偶尔发生的喷嘴堵塞，都会导致每一层实际沉积的材料厚度不一致。这种层厚的不均匀性会随着层数的增加而累积，最终造成零件高度偏离设计值，表面产生明显的波浪状变形，严重影响了零件的尺寸精度和后续机加工余量的均匀性。传统的开环打印策略，即预先设定一个固定的每层提升高度（Δz），依赖于工艺窗口内的被动自稳定效应来抑制误差，但这种方法适应性差，无法应对上述动态干扰，难以在保证高沉积率的同时获得平坦的顶表面。
为了解决这一难题，发表在《Additive Manufacturing》上的一项研究提出并验证了一种创新的自适应层高控制方法。该研究的核心思想是“感知-决策-执行”：通过一个集成在打印头上的离轴相机实时“感知”熔池与已打印零件表面的距离（即间距，stand-off），进而“决策”出下一层打印时打印头在每个路径点应有的最佳高度，最终“执行”生成自适应的刀具路径，从而动态补偿局部过沉积或欠沉积，实现对整个零件高度轮廓的精确控制。
为了开展这项研究，研究人员主要依托一套定制的DED-LB/M-p设备系统。关键技术方法包括：1）利用离轴相机进行熔池视觉监测与间距测量，通过图像处理算法实时定位熔池中心并换算为间距值；2）基于单道熔覆实验标定出沉积速率（等效于层厚Δh）与间距的函数关系，确定了最佳工艺窗口；3）开发了层高重建算法，将连续测量的间距数据与机床坐标结合，重构出已打印零件的局部高度轮廓；4）设计并实现了比例（P）和比例-积分（PI）控制算法，该算法根据上一层的局部高度误差，动态计算并调整下一层打印路径上各点的打印头Z坐标；5）通过一系列设计实验（DoE），系统优化了控制参数（如比例增益P、积分增益I、积分窗口N）以及路径离散化步长等关键参数，并定义了平均层厚（Δh）和非平整度RMS误差作为关键性能指标（KPI）来定量评估控制效果。
静态零件程序与被动自稳定
研究首先通过开环打印三角形薄壁结构，表征了固定层高增量（Δz）和初始间距下的打印效果。结果明确显示了沉积率与间距的钟形曲线关系，最佳间距sopt为9.5 mm时沉积率最高。然而，开环策略下，零件在拐角处出现明显材料堆积，非平整度RMS误差较大（例如，最高达1.34 mm），证明了单纯依赖被动自稳定效应不足以获得高质量的几何形状。
自适应层高增量
接下来，研究引入了自适应层高增量策略，即根据上一层层高最小值动态设定下一层的整体提升高度，而打印头在层内Z坐标保持恒定（P=0）。此举相比完全开环有所改进，但非平整度误差仍相对较高，表明需要在层内进行更精细的局部控制。
路径离散化优化
研究表明，路径离散化步长和用于平滑间距数据的移动平均窗口大小对控制精度有显著影响。过大的步长会丢失细节，过小的步长则可能引入噪声。优化后的参数（步长0.333 mm，窗口11帧）为后续的精确控制奠定了基础。
比例控制优化
比例控制（P控制）是本研究的关键。算法在每一层的打印路径上，根据当前位置的局部高度误差（当前点高度与层内最小高度之差），按比例调整打印头在该点的Z坐标。实验系统地测试了不同参考间距（sref= 9.5 mm, 10.5 mm）和比例增益（P = 0 到 9）的组合。结果令人振奋：随着P值增大，控制系统对局部过沉积的补偿能力显著增强，零件非平整度RMS误差急剧下降。当sref= 10.5 mm且P = 7时，非平整度误差降至最低的0.18 mm，同时平均层厚保持在较高水平（约173 μm/层）。这表明比例控制能有效“削峰填谷”，使零件顶面趋于平坦。
比例-积分控制优化
为了进一步消除稳态误差并提高对持续干扰（如轻微且持续的送粉不均）的抑制能力，研究引入了积分控制（I控制），构成PI控制器。实验考察了不同积分增益（I）和积分窗口（N）的影响。结果显示，PI控制在一定参数范围内能进一步改善平整度，但优化后的PI控制器（I=0.333, N=16）其性能与最优的比例控制器相当，非平整度误差为0.34 mm。这表明对于本研究中的主要扰动（几何形状引起的局部高度变化），比例控制已能提供足够有效的补偿，积分项的加入需要谨慎调整以避免系统超调或不稳定。
对工艺参数的鲁棒性
为了验证控制策略的广泛适用性，研究在多种激光功率、扫描速度和送粉率组合下进行了测试。结果表明，自适应控制算法能够自动调整层高增量，使平均层厚适应不同的工艺条件，并在大多数情况下保持良好的平整度。仅在极高能量输入（400 W激光功率，400 mm/min速度）导致热积累过大的极端情况下，出现了局部过沉积，这主要是受限于打印头Z轴的提升速度。
对堵塞的鲁棒性
通过人为堵塞一个喷嘴来模拟严重工艺扰动，研究对比了自适应控制与固定参数打印的效果。在控制组下，系统通过动态调整层高，成功打印出了高度接近目标值（8.0 mm）且相对平整的零件（非平整度误差0.31 mm）。而开环打印的零件则出现了严重的高度不足和巨大的形状误差（非平整度误差1.34 mm），充分展示了自适应控制应对突发故障的强大鲁棒性。
对不同尺寸/形状的鲁棒性
研究还将优化后的控制策略应用于打印不同几何形状（如方形、圆形薄壁）的零件，并实现了打印至目标高度后自动停止。所有零件均表现出良好的高度准确性和顶面平整度，证明了该控制方法对不同零件几何形状的适应性以及其在实现“打印至高度”而非“打印预定层数”的新范式方面的潜力。
综上所述，这项研究成功开发并验证了一套基于机器视觉和反馈控制的DED-LB/M自适应层高控制系统。该系统的核心优势在于能够在线监测打印过程，并智能地调整打印策略，从而有效克服了传统开环DED工艺在几何精度控制方面的局限性。研究得出的主要结论是：所提出的比例控制算法能显著提高打印零件的顶面平整度，将非平整度误差降低一个数量级；同时，该系统对工艺参数波动、喷嘴堵塞等常见干扰展现出优异的鲁棒性，并能适应不同的零件几何形状。这项工作的重要意义在于，它为DED工艺提供了一种实时的、自适应的质量控制手段，推动DED从一种主要依赖经验的“技艺”向更可靠、更智能的数字化制造技术迈进，为最终实现高精度、少或无后续加工的近净成形制造奠定了坚实的技术基础。这项成果对于提升航空航天、模具制造等领域关键金属部件的增材制造质量与效率具有重要的推动作
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