備件增材再制造成形中的顛覆性技術應用分析

曹 勇， 朱 勝， 李 萍， 殷鳳良， 周克兵

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072；

備件增材再制造成形中的顛覆性技術應用分析

曹 勇1，2， 朱 勝2， 李 萍3， 殷鳳良2， 周克兵2

(1. 裝甲兵工程學院機械工程系，北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京 100072；

3. 裝甲兵工程學院控制工程系，北京 100072)

增材再制造成形技術是近年來迅速發展起來的一種恢復損傷零(構)部件的缺損尺寸和服役性能的先進維修技術。首先，闡述了增材再制造成形技術的涵義、特點、工藝過程以及國內外應用現狀；其次，分析探討了3D打印、自主系統和大數據等顛覆性技術在增材再制造成形中的潛在應用；再次，以損傷凸輪的增材再制造成形為例，進行了初步實驗，并證實了顛覆性技術對增材再制造成形的有效性；最后，指出了增材再制造成形技術的未來發展趨勢。

維修保障；顛覆性技術；增材再制造；增材再制造成形

信息化高技術局部戰爭條件下，備件器材需求更為苛刻、消耗巨大。對結構損傷備件實施快速修復是實現高效、精確保障的有效途徑。結構損傷備件的修復技術主要有堆焊、無電焊接、復合貼片、微波快速、粘接粘涂、快速補板和鋁熱焊接等[1-2]，其中增材再制造成形技術因具有柔性好、精度高等優勢而成為研究熱點。

1 增材再制造成形技術

1.1 涵義、特征及工藝過程

增材再制造成形技術是以零(構)件的全壽命“價值”周期理論為基礎，以損傷機械零(構)部件為對象，以優質、高效、節能、節材和環保為準則，以多學科融合為特征的多種先進技術為手段，最大限度地利用損傷零(構)部件的“剩余價值”，在恢復其原始幾何尺寸的同時，服役性能也得以恢復甚至提升的技術手段的統稱[3]。增材再制造成形技術主要有弧焊熔敷、電子束熔敷、激光熔敷、電弧-激光復合熔敷、熔敷-銑削復合成形技術等，其研究主要包括缺損區域的尺寸恢復(控形)和服役性能的恢復與提升(控性)2方面，該技術的突出特點是：缺損尺寸恢復及服役性能可達到甚至超過新品，降低成本50%，節能60%、節材70%、節時80%以上。

增材再制造成形工藝過程可分為5個步驟：1)獲取損傷零件的三維數字化信息并構建其三維模型；2)將此模型與標準件的三維模型進行比對，獲得缺損(增材再制造成形)模型；3)根據零件服役環境和載荷工況，選擇增材再制造成形設備、材料和工藝；4)對缺損模型進行成形路徑規劃；5)對缺損模型進行成形堆積，完成增材再制造成形修復。

1.2 國內外研究現狀

發達國家非常重視增材再制造成形技術，并獲得了顯著的經濟、軍事效益。美空軍已采用該技術對多種裝備的鈦合金構件、風機保護罩和發動機葉片進行了再制造，僅修復一件鈦合金構件就可節省2～6萬美元，而且修復后的二次服役性能優于新品[4]。美陸軍也構建了再制造修復平臺，并對現役M1主戰坦克的燃氣渦輪發動機轉子、密封轉輪、間隔壓氣機、導向器葉片、壓氣機定子和壓氣機葉片等進行了再制造修復，該修復平臺啟動第一年所節省的軍費就達到630萬美元[5]。

國內相關單位也積極開展了增材再制造成形技術的研究，并將其應用于機械零部件的損傷修復。裝備再制造技術國防科技重點實驗室徐濱士院士課題組[6]在等離子熔敷、激光熔敷和弧焊再制造成形方面取得了突破，并對發動機排氣門、重載齒類件、凸輪軸等部件進行了增材再制造成形。凝固技術國家重點實驗室黃衛東教授課題組[7]采用激光熔敷成形工藝實現了飛機發動機鈦合金葉片阻尼臺的增材再制造成形。中科院沈陽自動化所與海軍航空兵工程學院相關課題組采用金屬粉末激光再制造成形技術實現了飛機渦輪導向器、艦船螺旋槳葉片等部件的增材再制造成形[8]；海軍某驅逐艦支隊也采用該技術對突然斷裂的傳動齒輪鋸齒進行了修復[9]。

盡管近年來增材再制造成形技術取得了一些成果，但在尺寸、性能精確控制以及時效性等方面仍受諸多問題制約，難以滿足備件保障需求。顛覆性技術的出現為該技術的發展和深化提供了新的契機。

2 顛覆性技術對增材再制造成形的作用

顛覆性技術是指能夠完全顛覆現有技術手段的先進技術，其主要包括全新的原始創新技術及現有多種跨學科、跨領域技術融合集成而產生的新技術。

2013年9月27日，知名智庫“新美國安全中心”發布了《游戲規則改變者：顛覆性技術與美國國防戰略》報告[10]，該報告將3D打印、自主系統、大數據等技術納入美軍未來的潛在顛覆性技術，并認為顛覆性技術將對未來作戰和裝備保障產生巨大推力。

2.1 3D打印

3D打印是基于分層堆積原理來實現零部件的無模具、無加工、一次性加法成形制造。該技術具有如下5個特點。

1) 零件服役性能好。采用該工藝獲得的材料組織均勻、缺陷少，其強度遠高于鑄件，而同鍛件相近。

2) 減重幅度大。此技術的高柔性使傳統工藝難以完成的零部件制造成為可能，同時，還可將需要多個零件裝配而成的部件一次堆積而成，由此使重量得以大幅減小。

3) 材料利用率高。3D打印為凈成形或近凈成形加法制造，因此其材料利用率可接近70%，而鍛件的材料利用率通常低于30%。

4) 時間大幅縮短。3D打印縮短了生產制造流程，使得時間縮短。采用該技術制造火箭超高溫合金結構氧化物噴射器的生產周期不到1個月，而傳統的噴射器生產制作周期則約為半年[11]。

5) 經濟性好。北京航空航天大學王華明教授課題組[12]采用3D打印技術制造了C919大型客機主擋風窗框以及機翼上下緣條，其中主擋風窗鈦框在國外訂購需要2年，模具費高達1 300萬，該課題組僅耗時55天、耗資120萬就完成了制造，成本不到歐洲模具費的1/10。

粗放、無序和過量堆積是現階段增材再制造成形的典型特征，這種堆積方式極大增加了修復尺寸的不確定性和模糊性，使得組織均勻性差、分散性大、性能不穩定，甚至出現斷崖式突變。對點、線、面、體各尺度下堆積單元形態的精確把控是3D打印技術的核心，將其用于增材再制造成形，則可依據缺損模型的幾何特征，實現對缺損區域的定點、定量、定形有序堆積，并可有效控制過程中熱、質累積所引起的組織惡化，從而有效提高再制造成形質量。

2.2 自主系統

自主系統是人工智能技術支撐下的機器人控制手段的高智商化。未來機器人將能實現人腦模擬、電子神經、類人腦計算與具有人行為動作的機器人平臺的深度無縫對接，使得在完成損傷區域建模、復雜路徑規劃、堆積成形修復等復雜任務時，將表現出高精度、高柔性、高可達性和快速智能反應的特性，實現對復雜運動路徑的快速、精確決策與運動響應。

智能控制推動著增材再制造成形的發展，增材再制造逐點成形的工藝特點提供了逐點控制的條件，為實現再制造成形材料與基體的高度一致性開辟了新通道。密執安大學Mazumder教授課題組[13]采用3個互成120°的傳感器建立了DMD閉環反饋控制系統，實現了堆積成形高度的控制，在保持堆積高度一致的同時，堆積層的表面粗糙度降低了14%～20%，其結果如圖1所示。

圖1 采用DMD 閉環系統控制的堆積成形結果[13]

基于人工智能的數值模擬與軟件仿真，為精確控形和控性奠定了基礎，并為全面揭示增材再制造成形過程中的傳熱、傳質規律提供了理論依據。山東大學武傳松教授課題組[14]對激光+脈沖熔化極氣體保護焊焊縫實現了焊縫截面形狀尺寸的模擬，其模擬與實驗結果有較好的一致性，如圖2所示。

圖2 焊縫的模擬與實驗結果比較[14]

北京科技大學孫祖慶教授課題組[15]開展了焊縫組織模擬研究，實現了焊接熱影響區晶粒長大和熔池凝固結晶的三維Monte Carlo 模擬，如圖3所示，枝晶和等軸晶的模擬結果與實際高度吻合較好。

圖3 焊縫凝固組織試驗與模擬結果比較[15]

未來，人工智能在增材再制造成形中形-性調控一體化、性能恢復與強化一體化以及尺寸與性能的精確預測中有望發揮更大的作用。

2.3 大數據

大數據包含了有關某現象的所有數據，而非部分樣本，具有信息量大、數據多樣性強和價值密度低等特點，其對未來的預測不再按圖索驥、由因到果，而是在簡單的海量數據分析基礎上的相互關系。

大數據技術是基于海量信息分析處理后的“智者”預測，已成為新技術革命創新發展的力量和源泉。哈爾濱工業大學張廣軍教授課題組[16]采用神經網絡研究了熔池正面特征與熔池背面寬度之間的關系，并基于所建模型驗證了熔池特征參量的有效性與可靠性。廣東工業大學高向東教授課題組[17]采用徑向基函數神經網絡建立了焊縫偏差的預測模型，實現了高能束與焊縫位置偏差的有效預測。

增材再制造成形涉及到基體特性、損傷狀況、修復材料、溫度、聲、光、電等數據，運用大數據方法對全過程所有數據分析處理，就能對所需要的成形層特性進行預測，從而為再制造成形參數優化、路徑規劃、溫度控制和性能控制等提供可靠依據。

3 損傷零件的增材再制造成形

在裝甲兵工程學院朱勝教授課題組[18-20]前期研究的基礎上，基于3D打印層制造原理，將3D打印、工業機器人、信息技術和人工智能等顛覆性技術與增材再制造成形進行了有機融合集成，構建了弧焊增材再制造成形平臺。該平臺由工業機器人、焊縫形態捕捉系統、數字化MIG/MAG弧焊近凈成形系統、數控銑削凈成形系統以及缺損模型的構建、堆積路徑規劃、工藝參數優化構成的半自主控制系統等組成，并進行了相關實驗。

基于以上平臺進行了單道焊縫成形實驗。圖4為分別采用傳統焊接、再制造成形獲得的單道焊縫，可以看出：再制造成形焊縫均勻性較好。

圖4 傳統焊縫與再制造成形焊縫比較

基于焊縫形態捕捉系統，獲得了焊縫不同截面的數據信息，并對其進行平滑處理，其結果如圖5所示。

圖5 焊縫截面數據平滑結果

基于最小二乘法原理分別采用正弦、對數、拋物線、高斯曲線等不同形態函數對數據進行擬合處理，實現了焊縫截面形態的數字化表征。圖6為采用正弦函數的擬合效果，圖7為分別采用對數函數、正弦函數、拋物線函數和高斯函數擬合時的殘差分布,表1為采用不同函數擬合時的擬合誤差、均方差和相關系數結果,可以看出:與其他擬合函數相比，正弦函數的擬合誤差最小，相關系數最高。

圖6 采用正弦函數時的數值擬合結果

圖7 采用不同擬合函數時的殘差分布

表1 不同函數擬合時的精度

擬合函數擬合誤差均方差相關系數(置信度95%)對數函數0.1720.0300.931正弦函數0.0980.00970.978拋物線函數0.1350.0180.958高斯函數0.1220.0150.966

基于“等面積堆積”理論[21]，確定了本實驗條件下相鄰焊縫間的搭接量，圖8、9分別為搭接量為3.90 mm時的單層多道、多層多道焊縫的堆積成形效果,可以看出:成形表面及側壁齊整，無流淌、塌陷發生。

圖8 單層多道焊縫的堆積成形效果

圖9 多層多道焊縫的堆積成形效果

4 增材再制造成形技術的發展趨勢

隨著顛覆性技術與增材制造成形的進一步融合、深化，未來增材再制造成形將向技術會聚、按需成形、按需成性和智能增材方向發展。

1) 技術會聚。3D打印、自主系統、大數據等顛覆性技術發展潛力和提升空間巨大，將增材再制造成形與其中任意技術的兩兩融合、三種協同、四者集成或多類會聚，都會產生巨大的效能，促進增材再制造成形技術的更大發展。

2) 按需成形。充分發揮材料、設備、工藝、數值模擬、數據、信息等相關技術新成果，實現“實踐經驗—實驗生產”向“建模預測—成效驗證生產”的增材再制造成形新模式轉變，對再制造成形的各環節進行優化篩選，最終實現按需增材再制造精確成形。

3) 按需成性。針對零件宏微區的服役環境、載荷狀況、失效形式、材料特性，發揮顛覆性技術優勢，進行零件不同損傷微區的個性化功能成性，實現零件服役價值最大化。

4) 智能增材。在按需成形、按需成性基礎上，充分發揮以3D打印、自主系統和大數據為代表的顛覆性技術優勢，進一步提高再制造成形設備、缺損模型、路徑規劃、材料設計、工藝控制的智能化、普適性水平，實現不同損傷備件尤其是鋁、鎂、鈦等輕合金材料的現場智能增材。

未來基于顛覆性技術的增材再制造成形是多種高技術會聚、融合、發展的產物，其變革作用強力推動著未來備件現場保障革命的發生，將徹底改變現場保障的樣式和形態，使得“快速、精確、高效、優質”的現場超常規備件保障成為新常態。

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(責任編輯:尚菲菲)

Application Analysis of Disruptive Technologies Based on Additive Remanufacture Forming for Spare Parts Support

CAO Yong1, 2, ZHU Sheng2, LI Ping3, YIN Feng-liang2, ZHOU Ke-bing2

(1. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；2. National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China；3. Department of Control Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Additive Remanufacture Forming (ARF) is an advanced maintenance technology developed in recent years, which can rebuild defective size and service performance of worn pieces. The definition, characteristics, technological process and the application status of ARF home and aboard are expounded. Disruptive technologies are introduced. Potential applications of disruptive technologies during ARF are discussed, such as 3D printing, autonomous system and big data. The preliminary confirmatory test that one dimension, two dimensions and three dimensions of weld are deposited by ARF is carried, the result shows that disruptive technologies raise effectively deposited properties of ARF. At last, the developing trends of ARF integrated disruptive technologies in future are proposed.

repair support; disruptive technologies; additive manufacturing; Additive Remanufacture Forming (ARF)

1672-1497(2015)02-0097-05

2015-01-19

國家自然科學基金資助項目(51375493, 51205408)；中國博士后科學基金資助項目(2012M512125, 2014T71020)

曹 勇(1974-)，男，講師，博士。

TH17

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.019