Gaussian-process based modeling and optimal control of melt-pool geometry in laser powder bed fusion
Gaussian-process based modeling and optimal control of melt-pool geometry in laser powder bed fusion
复制标题
激光粉末床熔合中熔池几何形状的基于高斯过程的建模和优化控制
DOI：
10.1007/s10845-021-01781-4
复制
发表时间：
2021
影响因子：
8.3
通讯作者：
Wang, Qian
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ren, Yong;Wang, Qian
研究表明，熔池特性（如熔池尺寸和形状）与采用激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造（AM）工艺构建的部件中的孔隙和缺陷的形成高度相关。因此，优化工艺参数以在构建过程中保持恒定的熔池尺寸可以潜在地提高最终部件的构建质量。本文考虑了激光功率的最优控制，同时保持其他工艺参数固定，以实现恒定的熔池尺寸在激光扫描的多轨道下建立L-PBF。首先，高斯过程回归（GPR）被施加到模型的熔池尺寸的动态演变作为激光功率和热历史的函数，这被定义为输入功能的GPR模型。然后，一个约束的有限时域最优控制问题，定义了一个二次成本函数，以最小化受控熔池尺寸和其参考值之间的差异。投影梯度下降算法应用于计算的激光功率的最佳序列中提出的控制问题。使用模拟数据集，模拟和实验数据集的混合，或纯实验数据集的GPR建模。激光功率控制设计的数值验证是在一个商业AM软件，Autodesk的Netfabb模拟。仿真结果表明，所提出的GPR建模和基于模型的最优控制在调节熔池的大小在使用L-PBF多磁道扫描的有效性。
Studies have shown that melt-pool characteristics such as melt-pool size and shape are highly correlated with the formation of porosity and defects in parts built with the laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing (AM) processes. Hence, optimizing process parameters to maintain a constant melt-pool size during the build process could potentially improve the build quality of the final part. This paper considers the optimal control of laser power, while keeping other process parameters fixed, to achieve a constant melt-pool size during the laser scanning of a multi-track build under L-PBF. First, Gaussian process regression (GPR) is applied to model the dynamic evolution of the melt-pool size as a function of laser power and thermal history, which are defined as the input features of the GPR model. Then a constrained finite-horizon optimal control problem is formulated, with a quadratic cost function defined to minimize the difference between the controlled melt-pool size and its reference value. A projected gradient descent algorithm is applied to compute the optimal sequence of laser power in the proposed control problem. The GPR modeling is demonstrated using simulated data sets, a mix of simulated and experimental data sets, or pure experimental data sets. Numerical verification of the control design of laser power is performed on a commercial AM software, Autodesk’s Netfabb Simulation. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed GPR modeling and model-based optimal control in regulating the melt-pool size during the scanning of multi-tracks using L-PBF.
登录
查看更多内容
基于机器学习的激光粉末床熔融增材制造热几何预测建模
DOI：
--
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
作者：
Yong Ren;Qian Wang;P. Michaleris
通讯作者：
P. Michaleris
基于模型的激光金属沉积增材制造前馈控制器设计
DOI：
--
发表时间：
2019
期刊：
European Control Conference
影响因子：
--
作者：
David Dillkötter;M. Mönnigmann
通讯作者：
M. Mönnigmann
激光粉末床熔融增材制造中熔池体积的面向控制的模型
DOI：
--
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
作者：
Qian Wang
通讯作者：
Qian Wang
DOI：
10.1115/1.4037571
发表时间：
2018-05-01
影响因子：
4
作者：
Heigel, J. C.;Lane, B. M.
通讯作者：
Lane, B. M.
影响因子：
11
作者：
Gaikwad, Aniruddha;Giera, Brian;Rao, Prahalada
通讯作者：
Rao, Prahalada