曹 勇， 朱 勝， 李 萍， 殷鳳良， 周克兵

(1. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

備件增材再制造成形中的顛覆性技術(shù)應(yīng)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(xué)院機(jī)械工程系，北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；

3. 裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京 100072)

增材再制造成形技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種恢復(fù)損傷零(構(gòu))部件的缺損尺寸和服役性能的先進(jìn)維修技術(shù)。首先，闡述了增材再制造成形技術(shù)的涵義、特點(diǎn)、工藝過(guò)程以及國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀；其次，分析探討了3D打印、自主系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)在增材再制造成形中的潛在應(yīng)用；再次，以損傷凸輪的增材再制造成形為例，進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，并證實(shí)了顛覆性技術(shù)對(duì)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(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

維修保障；顛覆性技術(shù)；增材再制造；增材再制造成形

信息化高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，備件器材需求更為苛刻、消耗巨大。對(duì)結(jié)構(gòu)損傷備件實(shí)施快速修復(fù)是實(shí)現(xiàn)高效、精確保障的有效途徑。結(jié)構(gòu)損傷備件的修復(fù)技術(shù)主要有堆焊、無(wú)電焊接、復(fù)合貼片、微波快速、粘接粘涂、快速補(bǔ)板和鋁熱焊接等[1-2]，其中增材再制造成形技術(shù)因具有柔性好、精度高等優(yōu)勢(shì)而成為研究熱點(diǎn)。

1 增材再制造成形技術(shù)

1.1 涵義、特征及工藝過(guò)程

增材再制造成形技術(shù)是以零(構(gòu))件的全壽命“價(jià)值”周期理論為基礎(chǔ)，以損傷機(jī)械零(構(gòu))部件為對(duì)象，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保為準(zhǔn)則，以多學(xué)科融合為特征的多種先進(jìn)技術(shù)為手段，最大限度地利用損傷零(構(gòu))部件的“剩余價(jià)值”，在恢復(fù)其原始幾何尺寸的同時(shí)，服役性能也得以恢復(fù)甚至提升的技術(shù)手段的統(tǒng)稱[3]。增材再制造成形技術(shù)主要有弧焊熔敷、電子束熔敷、激光熔敷、電弧-激光復(fù)合熔敷、熔敷-銑削復(fù)合成形技術(shù)等，其研究主要包括缺損區(qū)域的尺寸恢復(fù)(控形)和服役性能的恢復(fù)與提升(控性)2方面，該技術(shù)的突出特點(diǎn)是：缺損尺寸恢復(fù)及服役性能可達(dá)到甚至超過(guò)新品，降低成本50%，節(jié)能60%、節(jié)材70%、節(jié)時(shí)80%以上。

增材再制造成形工藝過(guò)程可分為5個(gè)步驟：1)獲取損傷零件的三維數(shù)字化信息并構(gòu)建其三維模型；2)將此模型與標(biāo)準(zhǔn)件的三維模型進(jìn)行比對(duì)，獲得缺損(增材再制造成形)模型；3)根據(jù)零件服役環(huán)境和載荷工況，選擇增材再制造成形設(shè)備、材料和工藝；4)對(duì)缺損模型進(jìn)行成形路徑規(guī)劃；5)對(duì)缺損模型進(jìn)行成形堆積，完成增材再制造成形修復(fù)。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視增材再制造成形技術(shù)，并獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)、軍事效益。美空軍已采用該技術(shù)對(duì)多種裝備的鈦合金構(gòu)件、風(fēng)機(jī)保護(hù)罩和發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行了再制造，僅修復(fù)一件鈦合金構(gòu)件就可節(jié)省2～6萬(wàn)美元，而且修復(fù)后的二次服役性能優(yōu)于新品[4]。美陸軍也構(gòu)建了再制造修復(fù)平臺(tái)，并對(duì)現(xiàn)役M1主戰(zhàn)坦克的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、密封轉(zhuǎn)輪、間隔壓氣機(jī)、導(dǎo)向器葉片、壓氣機(jī)定子和壓氣機(jī)葉片等進(jìn)行了再制造修復(fù)，該修復(fù)平臺(tái)啟動(dòng)第一年所節(jié)省的軍費(fèi)就達(dá)到630萬(wàn)美元[5]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也積極開展了增材再制造成形技術(shù)的研究，并將其應(yīng)用于機(jī)械零部件的損傷修復(fù)。裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門、重載齒類件、凸輪軸等部件進(jìn)行了增材再制造成形。凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃衛(wèi)東教授課題組[7]采用激光熔敷成形工藝實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金葉片阻尼臺(tái)的增材再制造成形。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所與海軍航空兵工程學(xué)院相關(guān)課題組采用金屬粉末激光再制造成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)渦輪導(dǎo)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(qū)逐艦支隊(duì)也采用該技術(shù)對(duì)突然斷裂的傳動(dòng)齒輪鋸齒進(jìn)行了修復(fù)[9]。

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

2 顛覆性技術(shù)對(duì)增材再制造成形的作用

顛覆性技術(shù)是指能夠完全顛覆現(xiàn)有技術(shù)手段的先進(jìn)技術(shù)，其主要包括全新的原始創(chuàng)新技術(shù)及現(xiàn)有多種跨學(xué)科、跨領(lǐng)域技術(shù)融合集成而產(chǎn)生的新技術(shù)。

2013年9月27日，知名智庫(kù)“新美國(guó)安全中心”發(fā)布了《游戲規(guī)則改變者：顛覆性技術(shù)與美國(guó)國(guó)防戰(zhàn)略》報(bào)告[10]，該報(bào)告將3D打印、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)納入美軍未來(lái)的潛在顛覆性技術(shù)，并認(rèn)為顛覆性技術(shù)將對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)和裝備保障產(chǎn)生巨大推力。

2.1 3D打印

3D打印是基于分層堆積原理來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件的無(wú)模具、無(wú)加工、一次性加法成形制造。該技術(shù)具有如下5個(gè)特點(diǎn)。

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(qiáng)度遠(yuǎn)高于鑄件，而同鍛件相近。

2) 減重幅度大。此技術(shù)的高柔性使傳統(tǒng)工藝難以完成的零部件制造成為可能，同時(shí)，還可將需要多個(gè)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(shí)間大幅縮短。3D打印縮短了生產(chǎn)制造流程，使得時(shí)間縮短。采用該技術(shù)制造火箭超高溫合金結(jié)構(gòu)氧化物噴射器的生產(chǎn)周期不到1個(gè)月，而傳統(tǒng)的噴射器生產(chǎn)制作周期則約為半年[11]。

5) 經(jīng)濟(jì)性好。北京航空航天大學(xué)王華明教授課題組[12]采用3D打印技術(shù)制造了C919大型客機(jī)主擋風(fēng)窗框以及機(jī)翼上下緣條，其中主擋風(fēng)窗鈦框在國(guó)外訂購(gòu)需要2年，模具費(fèi)高達(dá)1 300萬(wàn)，該課題組僅耗時(shí)55天、耗資120萬(wàn)就完成了制造，成本不到歐洲模具費(fèi)的1/10。

粗放、無(wú)序和過(guò)量堆積是現(xiàn)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(fù)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(wěn)定，甚至出現(xiàn)斷崖式突變。對(duì)點(diǎn)、線、面、體各尺度下堆積單元形態(tài)的精確把控是3D打印技術(shù)的核心，將其用于增材再制造成形，則可依據(jù)缺損模型的幾何特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺損區(qū)域的定點(diǎn)、定量、定形有序堆積，并可有效控制過(guò)程中熱、質(zhì)累積所引起的組織惡化，從而有效提高再制造成形質(zhì)量。

2.2 自主系統(tǒng)

自主系統(tǒng)是人工智能技術(shù)支撐下的機(jī)器人控制手段的高智商化。未來(lái)機(jī)器人將能實(shí)現(xiàn)人腦模擬、電子神經(jīng)、類人腦計(jì)算與具有人行為動(dòng)作的機(jī)器人平臺(tái)的深度無(wú)縫對(duì)接，使得在完成損傷區(qū)域建模、復(fù)雜路徑規(guī)劃、堆積成形修復(fù)等復(fù)雜任務(wù)時(shí)，將表現(xiàn)出高精度、高柔性、高可達(dá)性和快速智能反應(yīng)的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)路徑的快速、精確決策與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。

智能控制推動(dòng)著增材再制造成形的發(fā)展，增材再制造逐點(diǎn)成形的工藝特點(diǎn)提供了逐點(diǎn)控制的條件，為實(shí)現(xiàn)再制造成形材料與基體的高度一致性開辟了新通道。密執(zhí)安大學(xué)Mazumder教授課題組[13]采用3個(gè)互成120°的傳感器建立了DMD閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了堆積成形高度的控制，在保持堆積高度一致的同時(shí)，堆積層的表面粗糙度降低了14%～20%，其結(jié)果如圖1所示。

圖1 采用DMD 閉環(huán)系統(tǒng)控制的堆積成形結(jié)果[13]

基于人工智能的數(shù)值模擬與軟件仿真，為精確控形和控性奠定了基礎(chǔ)，并為全面揭示增材再制造成形過(guò)程中的傳熱、傳質(zhì)規(guī)律提供了理論依據(jù)。山東大學(xué)武傳松教授課題組[14]對(duì)激光+脈沖熔化極氣體保護(hù)焊焊縫實(shí)現(xiàn)了焊縫截面形狀尺寸的模擬，其模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，如圖2所示。

圖2 焊縫的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較[14]

北京科技大學(xué)孫祖慶教授課題組[15]開展了焊縫組織模擬研究，實(shí)現(xiàn)了焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和熔池凝固結(jié)晶的三維Monte Carlo 模擬，如圖3所示，枝晶和等軸晶的模擬結(jié)果與實(shí)際高度吻合較好。

圖3 焊縫凝固組織試驗(yàn)與模擬結(jié)果比較[15]

未來(lái)，人工智能在增材再制造成形中形-性調(diào)控一體化、性能恢復(fù)與強(qiáng)化一體化以及尺寸與性能的精確預(yù)測(cè)中有望發(fā)揮更大的作用。

2.3 大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)包含了有關(guān)某現(xiàn)象的所有數(shù)據(jù)，而非部分樣本，具有信息量大、數(shù)據(jù)多樣性強(qiáng)和價(jià)值密度低等特點(diǎn)，其對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)不再按圖索驥、由因到果，而是在簡(jiǎn)單的海量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上的相互關(guān)系。

大數(shù)據(jù)技術(shù)是基于海量信息分析處理后的“智者”預(yù)測(cè)，已成為新技術(shù)革命創(chuàng)新發(fā)展的力量和源泉。哈爾濱工業(yè)大學(xué)張廣軍教授課題組[16]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了熔池正面特征與熔池背面寬度之間的關(guān)系，并基于所建模型驗(yàn)證了熔池特征參量的有效性與可靠性。廣東工業(yè)大學(xué)高向東教授課題組[17]采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了焊縫偏差的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了高能束與焊縫位置偏差的有效預(yù)測(cè)。

增材再制造成形涉及到基體特性、損傷狀況、修復(fù)材料、溫度、聲、光、電等數(shù)據(jù)，運(yùn)用大數(shù)據(jù)方法對(duì)全過(guò)程所有數(shù)據(jù)分析處理，就能對(duì)所需要的成形層特性進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而為再制造成形參數(shù)優(yōu)化、路徑規(guī)劃、溫度控制和性能控制等提供可靠依據(jù)。

3 損傷零件的增材再制造成形

在裝甲兵工程學(xué)院朱勝教授課題組[18-20]前期研究的基礎(chǔ)上，基于3D打印層制造原理，將3D打印、工業(yè)機(jī)器人、信息技術(shù)和人工智能等顛覆性技術(shù)與增材再制造成形進(jìn)行了有機(jī)融合集成，構(gòu)建了弧焊增材再制造成形平臺(tái)。該平臺(tái)由工業(yè)機(jī)器人、焊縫形態(tài)捕捉系統(tǒng)、數(shù)字化MIG/MAG弧焊近凈成形系統(tǒng)、數(shù)控銑削凈成形系統(tǒng)以及缺損模型的構(gòu)建、堆積路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)優(yōu)化構(gòu)成的半自主控制系統(tǒng)等組成，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

基于以上平臺(tái)進(jìn)行了單道焊縫成形實(shí)驗(yàn)。圖4為分別采用傳統(tǒng)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(tǒng)焊縫與再制造成形焊縫比較

基于焊縫形態(tài)捕捉系統(tǒng)，獲得了焊縫不同截面的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)其進(jìn)行平滑處理，其結(jié)果如圖5所示。

圖5 焊縫截面數(shù)據(jù)平滑結(jié)果

基于最小二乘法原理分別采用正弦、對(duì)數(shù)、拋物線、高斯曲線等不同形態(tài)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，實(shí)現(xiàn)了焊縫截面形態(tài)的數(shù)字化表征。圖6為采用正弦函數(shù)的擬合效果，圖7為分別采用對(duì)數(shù)函數(shù)、正弦函數(shù)、拋物線函數(shù)和高斯函數(shù)擬合時(shí)的殘差分布,表1為采用不同函數(shù)擬合時(shí)的擬合誤差、均方差和相關(guān)系數(shù)結(jié)果,可以看出:與其他擬合函數(shù)相比，正弦函數(shù)的擬合誤差最小，相關(guān)系數(shù)最高。

圖6 采用正弦函數(shù)時(shí)的數(shù)值擬合結(jié)果

圖7 采用不同擬合函數(shù)時(shí)的殘差分布

表1 不同函數(shù)擬合時(shí)的精度

擬合函數(shù)擬合誤差均方差相關(guān)系數(shù)(置信度95%)對(duì)數(shù)函數(shù)0.1720.0300.931正弦函數(shù)0.0980.00970.978拋物線函數(shù)0.1350.0180.958高斯函數(shù)0.1220.0150.966

基于“等面積堆積”理論[21]，確定了本實(shí)驗(yàn)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(shí)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(cè)壁齊整，無(wú)流淌、塌陷發(fā)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(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著顛覆性技術(shù)與增材制造成形的進(jìn)一步融合、深化，未來(lái)增材再制造成形將向技術(shù)會(huì)聚、按需成形、按需成性和智能增材方向發(fā)展。

1) 技術(shù)會(huì)聚。3D打印、自主系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術(shù)發(fā)展?jié)摿吞嵘臻g巨大，將增材再制造成形與其中任意技術(shù)的兩兩融合、三種協(xié)同、四者集成或多類會(huì)聚，都會(huì)產(chǎn)生巨大的效能，促進(jìn)增材再制造成形技術(shù)的更大發(fā)展。

2) 按需成形。充分發(fā)揮材料、設(shè)備、工藝、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)、信息等相關(guān)技術(shù)新成果，實(shí)現(xiàn)“實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)—實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)”向“建模預(yù)測(cè)—成效驗(yàn)證生產(chǎn)”的增材再制造成形新模式轉(zhuǎn)變，對(duì)再制造成形的各環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化篩選，最終實(shí)現(xiàn)按需增材再制造精確成形。

3) 按需成性。針對(duì)零件宏微區(qū)的服役環(huán)境、載荷狀況、失效形式、材料特性，發(fā)揮顛覆性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行零件不同損傷微區(qū)的個(gè)性化功能成性，實(shí)現(xiàn)零件服役價(jià)值最大化。

4) 智能增材。在按需成形、按需成性基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮以3D打印、自主系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)為代表的顛覆性技術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提高再制造成形設(shè)備、缺損模型、路徑規(guī)劃、材料設(shè)計(jì)、工藝控制的智能化、普適性水平，實(shí)現(xiàn)不同損傷備件尤其是鋁、鎂、鈦等輕合金材料的現(xiàn)場(chǎng)智能增材。

未來(lái)基于顛覆性技術(shù)的增材再制造成形是多種高技術(shù)會(huì)聚、融合、發(fā)展的產(chǎn)物，其變革作用強(qiáng)力推動(dòng)著未來(lái)備件現(xiàn)場(chǎng)保障革命的發(fā)生，將徹底改變現(xiàn)場(chǎng)保障的樣式和形態(tài)，使得“快速、精確、高效、優(yōu)質(zhì)”的現(xiàn)場(chǎng)超常規(guī)備件保障成為新常態(tài)。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51375493, 51205408)；中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M512125, 2014T71020)

曹 勇(1974-)，男，講師，博士。

TH17

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.019