西交大顶刊丨Cu合金电弧增材制造WAAM成形过程的监测与双重控制方法
电弧增材制造(WAAM)是一种很有前途的生产大型金属零件的工艺技术。然而，由于铜合金的高导热性，通过WAAM沉积铜合金是一项具有挑战性的任务。几何形状和高度稳定性差会导致大量的材料浪费和能源消耗。
近日，西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室荣命哲教授团队在国际知名顶刊《Journal of Cleaner Production》上发表了最新研究成果“Effects of deposition height stability of CuCrZr alloy based on arc voltage sensing: Influence of materials and energy saving on wire arc additive manufacturing”，开发了一种基于电弧电压传感的控制系统，用于监测和控制增材制造CuCrZr合金的沉积进度。
该研究采用经验模态分解（EMD）滤波方法滤除原始电弧电压信号中的随机噪声。提出了一种新的高度提升控制和迭代学习控制相结合的双重控制方法，以提升高度和送丝速度为操纵变量，电弧电压为控制变量。通过单通道多层薄壁的沉积来测试控制系统的有效性。与常规方法相比，能量输入减少28.7%，材料有效成型利用率提高50.0%。更稳定的电弧电压和更好的成形质量表明电弧电压传感和双重控制方法可以有效提高高度稳定性并提高材料和能源利用率。
图 1. WAAM 中的实验系统
图 2. 无控制的多层沉积成型
图 3. 具有高度提升控制的多层沉积成型
图 4. 双控制多层沉积成型
提高材料利用率、降低能耗是金属材料加工过程中的重要问题。该研究旨在优化沉积进度，减少材料浪费和能源消耗。为了更好地研究成型过程并分析沉积稳定性的影响因素，建立了具有电信号传感和控制的WAAM系统。针对CuCrZr合金在WAAM中成形稳定性差的问题，提出了一种基于电弧电压传感和双重控制的高度稳定性控制策略。主要结论总结如下。
电压采集系统采集弧压，然后通过经验模态分解滤波算法进行滤波，去除随机干扰信号，保证弧压的准确性。
双控制方法以提升高度和送丝速度为操纵变量来控制电弧电压，将提升高度控制与迭代学习控制相结合。高度提升控制根据电弧电压和电弧长度之间的线性关系确定成形高度。然后确定下一层机器人提升距离，保证弧压保持在合理范围内，保证弧压粗调。
通过系统辨识和控制器仿真，采用以电弧电压为被控变量、送丝速度为操纵变量的迭代控制，提高成形高度的稳定性。ILC通过前一层的电弧电压来调节下一层的送丝速度，实现了电弧电压的精确控制。
通过无控制、高度提升控制、双控制方法的对比试验，沉积了单通道多层薄壁。结果表明，基于电弧电压传感的HLC和ILC相结合的双重控制方法可以有效提高成形高度稳定性。与无控制相比，基于电弧电压传感的双控制可降低能量28.7%，有效成形尺寸增加76.3%。
Diao Z, Yang F, Chen L, et al. Effects of deposition height stability of CuCrZr alloy based on arc voltage sensing: Influence of materials and energy saving on wire arc additive manufacturing[J]. Journal of Cleaner Production, 2023: 138665.
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