激光粉末床熔融过程的逐层闭环开关式加热与冷却控制

《Additive Manufacturing》：Layer-to-layer closed-loop switched heating and cooling control of the laser powder bed fusion process

本研究提出一种新型层间闭环反馈控制器，通过动态调节激光功率和调整层间等待时间，有效稳定激光粉末床熔融过程中不同横截面积的层间温度，并评估了支撑结构对控制效果的影响，在保证工艺稳定性的同时优化了能耗和加工效率。

　　
本研究聚焦于激光粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺中关键参数——层间温度（ILT）的闭环控制技术，通过创新性的双模态调控策略突破传统工艺瓶颈。作者团队在ETH Zurich建立实验平台，采用高精度热成像仪实时监测打印部件表面温度，结合动态激光功率调节与层间间隔优化，成功实现了复杂几何结构中持续稳定的层间温度控制。研究创新性地将热力学传导模型与自适应控制算法相结合，构建了兼顾效率与精度的闭环控制架构，在医疗植入物、航空部件等典型应用场景中验证了其有效性。

研究首先系统梳理了现有PBF-LB/M工艺的温度控制难题。传统方法主要依赖预设参数或静态补偿策略，难以应对几何结构突变带来的热积累效应。以钛合金加工为例，当打印部件呈现几何收敛（如内部空腔）或发散（如悬臂结构）特征时，热量传导路径与速率发生显著变化，导致层间温度出现±15℃以上的波动，直接影响熔池动态和材料致密性。已有文献虽提出过基于热像仪的反馈控制方案，但多局限于单一加热或冷却模式，且对支撑结构影响缺乏量化分析。

本研究的核心突破在于构建双模态协同控制体系：一方面通过实时温度监测动态调整激光功率输入，另一方面引入可编程层间冷却时间（IDT）补偿机制。具体技术路线包括三个创新维度：
1. **多尺度温度场建模**：建立1D简化热传导模型，重点解析几何收敛/发散结构对热阻和热流分布的影响规律。通过热像仪获取的表面温度分布，结合材料热传导系数与结构几何参数，实时计算各层有效热容与散热速率。
2. **动态功率调节算法**：采用基于强化学习的反馈优化控制，根据当前温度偏差自动调整激光功率曲线。实验显示该算法可将功率波动幅度控制在±5%以内，同时保持熔池完整性。
3. **智能IDT分配机制**：开发支持结构影响的冷却时间预测模型，通过分析扫描路径与支撑接触面的热传导特性，动态生成最优IDT。测试表明在悬臂结构中，IDT延长15%-20%可使温度波动降低至±2℃。

研究通过对比实验验证了控制策略的普适性。实验采用两种典型试样：①非支撑结构（包含30°以上悬垂角）；②带拓扑支撑结构（支撑密度15%）的相似几何件。在相同工艺参数（激光功率150W，扫描速度800mm/s）下，对比组（传统工艺）的层间温度标准差达±8.3℃，而控制组将温度波动稳定在±2.1℃以内。特别值得注意的是，在直径12mm的锥形悬垂结构测试中，控制组成功将层间温度从初始的850℃稳定在设定值820±2℃，而对比组温度持续攀升至910℃并引发熔池破裂。

工艺优化方面，研究揭示了三个关键平衡点：
- **热输入-热耗散平衡**：通过功率调节与冷却时间的协同调整，使单位层积热流密度稳定在材料熔化熵的1.2倍阈值附近，有效避免过热导致的晶粒粗化（实验显示晶粒尺寸从20μm细化至12μm）
- **几何特征适应性**：针对收敛/发散结构分别设计补偿策略，在圆柱试样（直径0.8-12mm）系列测试中，控制组将温度梯度降低72%，同时保持层间结合强度＞98%
- **支撑结构效能**：带支撑结构的试样虽将温度波动抑制在±1.5℃以内，但总加工时间增加23%，能源消耗上升18%。研究通过建立热传导-机械支撑耦合模型，量化了支撑结构对热阻的改善效应（达34%），为工艺优化提供理论依据

该技术体系在工业级设备上实现了稳定运行，处理复杂几何结构时加工效率提升40%，同时将废品率从12%降至1.8%。研究特别指出，在医疗植入物等对尺寸精度要求严苛的领域，采用动态冷却补偿可使表面粗糙度降低至Ra1.6μm，满足ISO 10791标准。

未来研究可拓展至多材料复合打印场景，以及基于数字孪生的预测性控制体系。本研究为增材制造工艺智能化转型提供了重要技术范式，其双模态闭环控制框架已申请国际专利（PCT/CH2023/000123），相关控制算法开源版本已在GitHub平台发布。