Understanding the thermal behavior of additive manufacturing (AM) processes is crucial for enhancing the quality control and enabling customized process design. Most purely physics-based computational models suffer from intensive computational costs and the need of calibrating unknown parameters, thus not suitable for online control and iterative design application. Data-driven models taking advantage of the latest developed computational tools can serve as a more efficient surrogate, but they are usually trained over a large amount of simulation data and often fail to effectively use small but high-quality experimental data. In this work, we developed a hybrid physics-based data-driven thermal modeling approach of AM processes using physics-informed neural networks. Specifically, partially observed temperature data measured from an infrared camera is combined with the physics laws to predict full-field temperature history and to discover unknown material and process parameters. In the numerical and experimental examples, the effectiveness of adding auxiliary training data and using the pretrained model on training efficiency and prediction accuracy, as well as the ability to identify unknown parameters with partially observed data, are demonstrated. The results show that the hybrid thermal model can effectively identify unknown parameters and capture the full-field temperature accurately, and thus it has the potential to be used in iterative process design and real-time process control of AM.


翻译:了解添加剂制造(AM)过程的热行为对于加强质量控制和使定制过程设计成为方便的定制过程设计至关重要。大多数纯粹物理的计算模型都存在密集的计算成本和校准未知参数的需要,因此不适合在线控制和迭代设计应用。数据驱动模型利用最新开发的计算工具可以作为更有效率的替代工具,但它们通常经过大量模拟数据的培训,而且往往无法有效利用小型但高质量的实验数据。在这项工作中,我们开发了一种混合物理数据驱动热建模方法,利用物理知情神经网络对AM过程进行热建模。具体地说,从红外摄影机中测量的部分观测温度数据与物理定律相结合,以预测全场温度历史并发现未知的材料和过程参数。在数字和实验中,增加辅助培训数据以及使用预先培训的效率和预测准确性模型的有效性,以及用部分观测的数据确定未知参数的能力,都得到了证明。结果显示,混合热模型能够有效地识别未知参数并准确捕捉全场温度,因此,在迭代进程设计中有可能使用实时控制。

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