该文档属于类型a，是一篇关于增材制造（Additive Manufacturing, AM）过程中沉积高度偏差（Deposited Height Deviation, DHD）在线原位检测技术的原创研究论文。以下为针对该研究的学术报告：

作者与发表信息

本研究由Wei Feng（第一作者）、Zhuangzhuang Mao、Heng Ma等共同完成，通讯作者为Jianxin Nie和Zhanwei Liu。研究团队来自北京理工大学（Beijing Institute of Technology），合作单位包括北京林业大学、上海航天设备制造有限公司、清华大学等。论文发表于期刊Optics and Laser Technology，2025年1月23日在线发表，卷182，文章编号112175。

学术背景

研究领域：本研究属于增材制造（AM）质量控制与在线监测领域，聚焦定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）工艺中的沉积高度偏差（DHD）问题。

研究动机：DHD是增材制造中常见的表面缺陷，逐层累积会导致后续制造任务失败。传统检测方法（如离线3D扫描）需中断打印流程，而现有在线监测技术对DHD的敏感性和实时性不足。因此，开发一种高灵敏度、实时在线的DHD检测方法具有重要工程意义。

研究目标：提出一种新型放大计算机视觉测量（Amplification Computer-Vision Measurement, ACVM）方法，通过熔池图像特征与温度信息的融合，实现DHD的高精度在线检测，并验证其在激光工程净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）系统中的适用性。

研究流程与方法

1. ACVM方法设计与系统开发

• 单相机双通道多信号检测（SDMD）系统：
  
  • 光学路径设计：采用双通道光学放大路径，通过坐标变换将DHD的离面位移转换为成像平面内的位移（第一级放大），并结合显微镜头进一步放大（第二级放大）。
    
  • 硬件配置：使用780±10 nm和900±10 nm双窄带滤光片、长焦显微镜头（分辨率3–20 μm）和CMOS相机（2048×1536像素，采集频率125 Hz）。
    
• 图像特征提取：
  
  • 图像位置识别点（IPR Point）：选择熔池中激光曝光点（高温区域中心）作为IPR点，其坐标变化直接反映DHD（标准偏差<1.5像素）。
    
  • 灵敏度校准：通过数字图像相关法（DIC）标定放大因子（c=2sinφ×m/M×μ），实验测得DHD检测灵敏度为9.96 μm。
    

2. 温度场与DHD的物理关联

• 双波长测温法：基于熔池双波段灰度图像（λ₁=780 nm，λ₂=900 nm），通过普朗克辐射定律计算表面温度场（公式8）。
  
• 激光离焦效应模型：推导DHD与熔池温度的定量关系（公式12），发现DHD增大时激光光斑面积减小，能量密度升高，导致熔池平均温度上升。
  

3. 实验验证

• 研究对象：采用LENS系统打印304不锈钢薄壁结构件（100层，单层厚度0.5 mm）。
  
• 检测流程：
  
  1. 初始层记录基准高度（z₀）和图像相对距离（d₀）。
     
  2. 第n层打印时，通过IPR点位移（d’）计算第n-1层的DHD（公式7）。
     
  3. 结合温度特征（g(t)）修正DHD的空间位置。
     
• 异常反馈：检测到第56层DHD异常（最大偏差0.91 mm）后，调整激光功率（+5%）和送粉速率（+5%），成功稳定后续打印。
  

主要结果

1. 图像特征检测性能：

   • DHD检测误差：最大偏差误差6.65%，平均绝对误差（MAE）0.25 mm，均方根误差（RMSE）34.04%。
     
   • 早期响应：熔池前端接触异常区域时，IPR点位移比实际DHD提前约3 mm（与熔池边缘到激光中心的距离一致）。
     

2. 温度特征检测性能：

   • 排除热累积（heat accumulation）干扰后，熔池瞬时温度（g(tₗⁿ)）与DHD的拟合优度（R²）从0.74提升至0.88。
     
   • 温度法检测的MAE为0.16 mm，RMSE为18.42%。
     

3. 综合方法优势：

   • 融合图像与温度特征后，综合检测的MAE降至0.08 mm，RMSE为11.08%，最大偏差误差17.28%。
     
   • 层间影响分析：第54层的DHD峰值（10 mm和35 mm处）直接导致第56层同类缺陷，验证了DHD的累积效应。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 首次通过光学放大路径实现DHD的离面位移-平面位移转换，灵敏度达微米级（9.96 μm）。
     
   • 建立熔池温度与DHD的定量关系，为增材制造过程控制提供新理论依据。
     

2. 应用价值：

   • ACVM方法可集成于现有LENS系统，实现DHD的实时检测与工艺调整，避免废品产生。
     
   • 在航空航天等高安全要求领域，为DED工艺的可靠性提升提供技术支持。
     

研究亮点

1. 方法创新：

   • 双通道光学放大设计：通过坐标变换与显微放大双重增强DHD检测灵敏度。
     
   • 多信号融合：结合图像位移与温度特征，兼顾定量精度与空间同步性。
     

2. 工程意义：

   • 实验证明ACVM方法对DHD的早期响应能力（提前3 mm），优于传统离线检测。
     
   • 提出的SDMD系统硬件成本低，易于工业化推广。
     

其他有价值内容

• 缺陷传递机制：通过分析第54层与第56层的DHD关联，揭示了层间缺陷传递的“边缘累积效应”。
  
• 工艺调整验证：第86层通过功率与送粉速率调整，成功抑制后续DHD，证实ACVM方法的闭环控制潜力。
  

（全文约2000字）