金属 3D 打印中的实时飞溅检测

在滑铁卢大学的法尔扎内・卡吉（Farzaneh Kaji）及其同事主导的一项最新研究中，研究人员开发出一种新型飞溅检测算法，为激光定向能量沉积（Laser-Directed Energy Deposition, LDED）系统带来了实时质量控制能力。研究人员将 Xiris XVC-1000 HDR 相机巧妙地进行旁轴安装，以捕捉每一个飞溅的熔滴。

1. 设备介绍

• Xiris XVC-1000 HDR 相机：旁轴安装于 LDED 打印头上，这款单色高动态范围相机以 60 帧 / 秒的速率拍摄，视野范围为特写级别（12×9 平方毫米）。

• 激光系统：1 千瓦光纤激光 LDED 装置，具有固定的扫描速度、送粉速率和保护气体流量。
  

2. 算法介绍

• 对比度增强：采用 CLAHE（对比度受限自适应直方图均衡化）技术提升熔滴的可见度，同时避免产生过多噪声。

• 羽烟去除：通过减去每一帧的高斯模糊版本来抑制较为平滑的蒸汽羽烟，保留轮廓更清晰的飞溅特征。

• 阈值处理与掩膜操作：将图像转换为二值图，并对主熔池区域进行掩膜遮蔽，仅分离出喷射出的熔滴。

•  blob 分析（连通区域分析）：识别图像中的连通区域（“blobs”，即 blob 块），以统计飞溅物的数量，并测量其尺寸、朝向以及与熔池的距离。

3. 核心发现

• 检测精度：与人工标记的帧相比，平均精度达到 93.4%。

• 激光功率相关性：功率设置越高，产生的飞溅物越多，且这些熔滴飞溅出的距离离熔池更远
  
  
  

4. 意义与影响

通过将飞溅物指标与工艺参数相关联，操作人员可以调整激光功率或送粉速率，以减少不必要的喷射物。该方法运行帧率达 60 帧 / 秒，且所需计算相对简单，使其能够在生产单元中实现近实时监测。

5. 为何 Xiris 相机至关重要

Xiris XVC-1000 HDR 相机可提供飞溅物可靠监测所需的清晰、细节丰富的图像，原因如下：

• 高动态范围（High Dynamic Range）：能够同时清晰呈现明亮的羽烟和昏暗的背景，且不丢失细节。

• 60 帧 / 秒帧率：可捕捉快速移动的熔滴，且无运动模糊。

• 特写视野（12×9 平方毫米）：能够分辨单个飞溅物，便于准确计数和测量。

这些特性共同确保了稳定、高对比度的视频输入 —— 这对于任何实时检测流程而言都至关重要。

参考文献：Kaji F., Narayanan J.A., Zimny M., Toyserkani E., “A Novel Spatter Detection Algorithm for Real-Time Quality Control in Laser-Directed Energy Deposition-Based Additive Manufacturing,” Sensors 25(12):3610, published 8 June 2025.

Kaji, F.; Arackal Narayanan, J.; Zimny, M.; Toyserkani, E. A Novel Spatter Detection Algorithm for Real-Time Quality Control in Laser-Directed Energy Deposition-Based Additive Manufacturing. Sensors 2025, 25 (12), 3610. https://doi.org/10.3390/s25123610.
—Farzaneh Kaji (Multi-Scale Additive Manufacturing Laboratory, University of Waterloo), Jinoop Arackal Narayanan (Teesside University), Mark Zimny (Promation), and Ehsan Toyserkani (University of Waterloo). Submitted 17 Mar 2025; revised 1 Jun 2025; accepted 3 Jun 2025; published 8 Jun 202