基于图像数据的熔融沉积成型统计过程控制方法研究

Additive Manufacturing (AM) has a great development in recent decade. Compared with subtractive manufacturing, additive manufacturing has the advantages that high complexity products can be manufactured, customized products can be made in one batch, and so on. However, in additive manufacturing, process variation might happen, and it leads to the process be in an out-of-control condition. Therefore, both product quality and productivity are reduced. This project focuses on Fused Deposition Modeling (FDM) in additive manufacturing, and it proposes the .Statistical Process Control (SPC) techniques in fused deposition modeling. Image data of product surface are collected. Product quality related information is extracted from image data with respect to geometric shapes and defects. Control variables are established considering the fact that images might vary layer-by-layer. Based on the temporal and spatial property of the variables, group multivariate statistical process control and spatial statistical process control are proposed for monitoring corresponding variables. Diagnostic method is given when there is an alarm. Research and validation is performed from simple geometric shape, to complex geometric shape, and finally sample test product. Research of this project is required in the development of additive manufacturing, and also needed urgently in industry.

增材制造是近些年来迅速发展起来的制造技术，与减材制造相比，具有可制造高复杂度、同一批次多样化产品等优势。然而，增材制造过程中可能发生过程变异，导致制造过程处于失控状态，从而影响产品质量，降低成品率。本项目以增材制造中的熔融沉积成型制造过程为研究对象，提出熔融沉积成型统计过程控制方法。通过采集逐层制造中的产品表面图像数据，从产品宏观几何形状、微观缺陷两方面提取图像中产品质量相关信息，并针对图像数据逐层不同的特点，提出基于非一致图形的监控变量提取方法，并按变量的时间与空间属性，分别进行组合多变量统计过程控制及空间统计过程控制；给出发生预警信号时的异常诊断方法。从简单几何形体、复杂几何形体，到样例产品，进行方法研究和试验验证。本项目的研究顺应增材制造的发展趋势，也是工程实际中迫切需要的技术方法。

增材制造是按照产品三维计算机辅助设计模型，逐层将材料累积起来，从而制造出产品实体的过程。近年来，增材制造技术逐渐成为制造领域的关注热点。熔融沉积成型属于材料挤出类制造方法，是将丝状的热塑性材料通过加热线圈加热熔化，熔化后的材料经过喷头，以一定的压力挤喷出来；喷头按预设路径沿水平方向移动，以完成一个层面的沉积；之后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔融沉积，后一个层面与前一个层面熔结在一起；重复沉积过程，直至完成整个实体造型。. 在熔融沉积成型过程中，材料、设备或制造过程等因素可能导致过程变异，从而导致产品的变形、过充或欠充等缺陷的发生，造成产品质量下降。因此，需要对熔融沉积成型的制造过程进行监控，及时发现制造过程的变异，进行诊断和修正，使制造过程恢复到正常状态，从而提高生产率并减少不必要的人力物力资源的浪费。. 本项目以增材制造中的熔融沉积成型制造过程为研究对象，分析影响产品质量的关键参数，研究最优化参数设置方案，针对产品质量参数和制造过程参数，提出制造过程监控方法，包括基于剖面数据的制造过程监控方法、基于图像数据的制造过程监控方法，基于力学性能的制造过程监控方法，以及基于温度场的制造过程监控方法。研究了熔融沉积成形几何质量在线检测方法，以及考虑到质量可靠性链，设备退化对制造过程中产品的影响，研究了制造设备性能退化分析方法。. 本项目研究成果包括：提出了基于图像数据变窗口缺陷监控的统计过程控制方法，基于图像数据及给定区间误警率的统计过程监控方法，基于力学性能的累积和监控方法，基于力学性能的动态累积和监控方法，基于温度场的制造过程监控方法，以及基于机器视觉的熔融沉积成型几何质量在线检测方法。研究成果有望应用于熔融沉积成型制造过程的监控中，及时发现制造过程中的失控状态，诊断并修正问题，从而确保产品质量，并有望推广于其它类型的增材制造的过程监控中。