这篇文档属于类型a，是一篇关于定向能量沉积-电弧（Directed Energy Deposition-arc, DED-arc）工艺数据库自动化构建系统的原创性研究。以下是详细的学术报告：

一、作者与发表信息

本研究由Jiacheng Huang（第一作者）、Fang Li（通讯作者）、Chen Shen、Kaiyuan Lin、Yuelong Zhang和Xueming Hua（通讯作者）合作完成，作者单位包括上海交通大学材料科学与工程学院（Shanghai Jiao Tong University）的上海市材料激光加工与改性重点实验室（Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification）以及长兴海洋实验室（Changxing Ocean Laboratory）。研究发表于Journal of Manufacturing Processes，2025年6月在线发表，卷149，页码1106–1125。

二、学术背景

研究领域与动机

DED-arc（定向能量沉积-电弧）是一种基于电弧热源和焊丝送丝的金属增材制造技术，也称为线弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM）。因其高沉积速率、低成本和高灵活性，DED-arc在制造中大型部件（如船舶螺旋桨、卫星承力结构）中具有显著优势。然而，其工艺参数（如送丝速度、移动速度）与成形几何参数（如层高、壁宽）的匹配问题尚未系统解决，导致成形精度不稳定。

研究目标

本研究提出了一种自动化构建DED-arc工艺数据库的方法，通过单道焊珠建模和多道重叠建模，建立工艺参数与几何参数的映射关系，并开发了一套自动化系统，以镍铝青铜（Nickel-Aluminum-Bronze, NAB）合金为例验证其有效性，同时扩展至钢和铝合金。

三、研究流程与方法

1. 单道焊珠实验与数据采集

• 实验设计：采用冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）工艺，以NAB合金焊丝（直径1.2 mm）为材料，设定12组移动速度（TS, 25–80 cm/min）和9组送丝速度（WFS, 5.8–9.0 m/min），共沉积108条单道焊珠。
  
• 数据采集：通过Sick® 3D相机获取焊珠表面点云数据（分辨率：高度方向4 μm，横向10–50 μm），利用自研算法提取焊珠高度、宽度和接触角。
  
• 算法创新：提出基于椭圆函数的焊珠截面拟合方法（公式：( y = d\sqrt{1 - (x-a)^2/b^2} + c )），通过斜率分析自动识别焊珠边界，计算几何参数。
  

2. 随机森林（Random Forest, RF）模型构建

• 分类模型：筛选可用工艺参数（判断标准：宽度/高度波动<10%，接触角<90°）。
  
• 回归模型：预测焊珠几何形状（宽度、高度、接触角）。
  
• 验证实验：15组测试参数显示，预测误差低于5%（宽度最大误差4.94%，高度-5.06%，接触角7.06%）。
  

3. 多道重叠建模

• 单道多层重叠模型（MLSB）：基于椭圆函数假设，计算薄壁部件的层高（Layer Height）和壁宽（Wall Width）。验证实验显示，预测值与实测值误差%。
  
• 多道多层重叠模型（MLMB）：对比平顶重叠模型（Flat-top Overlapping Model, FOM）和切线重叠模型（Tangent Overlapping Model, TOM），发现FOM计算的偏移距离（Offset Distance）能最小化表面波纹度（Waviness），最优偏移距离为焊珠宽度的61.3–70.8%。
  

4. 数据库生成与验证

• 数据库结构：包含工艺参数、焊珠形状、薄壁/实体部件几何参数四类关系表。
  
• 案例验证：以NAB合金打印矩形块（100 mm×60 mm×33 mm），匹配不同层高与偏移距离，成形精度良好，无间隙缺陷。
  

5. 系统扩展性验证

将方法应用于钢（ER50-6）和铝合金（ER5356），结果显示椭圆函数拟合精度（R²>0.99）和RF模型预测有效性（误差%），但铝合金因熔池流动性差异需进一步优化重叠模型。

四、主要结果

1. 单道建模：椭圆函数可高精度表征焊珠截面（R²>0.99），RF模型能可靠预测工艺参数工作窗口和焊珠几何。
   
2. 重叠建模：MLSB模型成功预测薄壁部件的层高与壁宽；FOM在实体部件中表现最优，偏移距离为焊珠宽度的61.3–70.8%。
   
3. 数据库应用：NAB合金案例中，匹配的工艺参数实现了高成形精度，系统可扩展至其他材料。
   

五、结论与价值

科学价值

• 首次提出结合机器学习（RF）与几何建模（椭圆函数）的DED-arc工艺数据库构建方法，解决了参数匹配的自动化问题。
  
• 通过单道实验即可推导多层多道成形参数，显著减少实验成本。
  

应用价值

• 为复杂部件（如螺旋桨叶片）的路径规划与参数优化提供工具，支持航空航天、船舶制造等领域的高效生产。
  
• 开发的自动化系统（MATLAB编写）可适配不同材料和工艺，推动DED-arc标准化。
  

六、研究亮点

1. 方法创新：椭圆函数拟合与RF模型的结合，实现了焊珠几何的高效表征与预测。
   
2. 模型普适性：验证了钢和铝合金的适用性，但需针对材料特性调整重叠模型。
   
3. 工程实用性：数据库可直接集成至商用软件（如SprutCAM），支持工业应用。
   

七、其他价值

• 提出的表面波纹度评价方法（ISO 21920-2标准）为增材制造表面质量量化提供了新思路。
  
• 研究揭示了铝合金熔池流动对重叠模型的特殊影响，为后续材料特异性建模指明方向。
  

（报告总字数：约1800字）