Deep learning-based data registration of melt-pool-monitoring images for laser powder bed fusion additive manufacturing

融合 自编码 预处理器 数据预处理 卷积神经网络 过程(计算) 人工智能 传感器融合 卡尔曼滤波器 深度学习 计算机视觉 模式识别(心理学) 计算机科学 语言学 操作系统 哲学
作者
Jaehyuk Kim,Zhuo Yang,Hyunwoong Ko,Hyunbo Cho,Yan Lu
出处
期刊:Journal of Manufacturing Systems [Elsevier BV]
卷期号:68: 117-129 被引量:54
标识
DOI:10.1016/j.jmsy.2023.03.006
摘要

Melt-pool monitoring (MPM) has been widely used in the laser powder bed fusion (LPBF) additive manufacturing process for process control and part quality prediction. Achieving this requires appropriate MPM-data alignments to the process parameters, part inspection, and testing data. This task is challenging when laser positioning is not synchronized with MPM-data acquisition. To address this challenge, this paper proposes a novel deep learning-based methodology to directly estimate melt pool positions in the machine-build coordinate system from the melt-pool images. First, we present two image-preprocessing methods, including image transformation and spatter reduction, using a stacked convolutional autoencoder to reduce noises from raw MPM images. Second, a convolutional neural network (CNN) based on self-supervised learning (SSL) is developed to identify the scan direction associated with an individual MPM image. Finally, Kalman Filtering is applied to estimate melt-pool positions given their scan directions. A case study based on an experimental build shows that the SSL-based CNN predicts the associated scan directions from the MPM images with an average error of about 1.37∘, and the Kalman filter effectively estimates the positions of melt pools with an average error of about 24.86 μm. The proposed methodology can benefit AM research and practice, enhancing data correlation and fusion, real-time defect prediction, and process quality control.
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