李國偉，張路思，李運達，孫 群，顧邦平

（1.上海海事大學物流工程學院，上海 201306；2.上海電機學院機械學院，上海 201306）

0 引言

現代制造企業(yè)通過引進先進的生產設備和工藝推動企業(yè)轉型升級，這導致企業(yè)的進口設備已經占有相當大的比例，雖然進口設備具有自動化程度高、運行可靠、維護量少等優(yōu)點，但備件是設備及時維護檢修和應急處理所需的保障性物資，也是支撐設備可持續(xù)運行的重要物質基礎。隨著國際貿易爭端加劇，以及新世紀新冠疫情對全球國際貿易產生的負面溢出效應，備件備品的管控策略受到諸多挑戰(zhàn)，主要包括：（1）疫情/后疫情時代，備件供貨不確定性明顯增多，采購周期長、供貨不及時現象日益增多，設備故障因缺少備件不能及時排除會影響到企業(yè)的正常生產，疫情時代備件采購的穩(wěn)定性受到沖擊。（2）隨著全球貿易摩擦和知識產權競爭加劇，備件設計的獨家壟斷性增強，全球供應鏈中斷風險增加，傳統(tǒng)的備件替代策略受到挑戰(zhàn)[1]。（3）進口備件購買成本高昂，尤其是高質量高精度高性能的非標備件，會造成維護維修成本的上升而影響到單價產品的成本。因此，備件國產化替代已經成為企業(yè)降低維修成本和應對采購環(huán)節(jié)不確定性的重要舉措?；诖耍瑖鴥绕髽I(yè)進行了大量的實踐，根據備件的特點制定差異化的國產替代方案[2-4]，包括直接選用國產定型產品、材料和工藝改進、仿制替代、備件的再修復利用、備件直接增材制造等措施。

備件增材制造（Additive Manufacturing，簡稱AM）的實施引起了國內外學者的廣泛關注，正在成為備件供應的重要途徑，甚至被認為是備件領域的下一次革命[5]。Atanu Chaudhuri 等[6]認為AM 有助于在短時間內交付備件，從而避免維持大量庫存。國內學者已關注增材制造在高端產品金屬零部件再制造修復中的應用，如潘新等[7]對金屬增材制造技術在軍用飛機維修中的應用做出了體系化的概述；董世運等[8]利用激光熔覆的增材制造技術對坦克發(fā)動機的凸輪軸等零部件進行了再制造修復等。增材制造技術已為我國航空航天、動力能源領域高端裝備的飛躍發(fā)展和品質提升作出了重要貢獻[9]，增材制造助力安全、高效的工業(yè)備件管理仍有巨大潛力，尤其對于結構形狀復雜、尺寸精度和表面質量要求高（形）、工況要求相對苛刻的非標特殊備件。

1 工業(yè)備件形性一體化工藝研究

1.1 工業(yè)備件的技術特性分析

高質量高性能的工業(yè)備件的技術要求體現在形狀、精度、性能、內部結構、材料性能、裝配方式等方面，主要影響因素包括成型材料特性、備件結構、設備性能和精度、工藝參數等，以下從“形”和“性”兩個方面概述備件的特性要求、影響因素及保障措施。

（1）備件“形”的要求和保障措施

備件“形”的要求主要考慮表面質量、尺寸精度、位置精度。結構復雜的備件在逆向工程中受到測量精度、三維模型重構誤差的影響，而在增材制造中備件成型質量還會受到設備自身精度、材料成型精度、模型擺放方向和工藝層數的影響，比如通過調整打印參數和放置方向，可以得到更高質量的打印件。

（2）備件“性”的要求和保障措施

為了適應實際工業(yè)生產環(huán)境，備件應滿足導電導熱性、延展性、硬度、剛度、密度五個方面的性能要求。鑒于備件的性能、結構與工作要求的影響因素眾多，使得材料-工藝-性能關系難以主動把握，探索的路徑之一是通過增材制造AM 技術測試不同材料零件性能，或去除多余材料成分，或更換其他類型材料，得到滿足要求的備件替代品。此外，由于增材制造層層累積成型工藝特點，備件的結構形狀與工藝參數也會影響產品的強度、剛度等性能，通過改進結構和調整工藝參數優(yōu)化備件性能也是值得關注的方向。

1.2 形性一體化工藝研究

鑒于工業(yè)備件的上述特點，同時滿足備件“形”“性”要求的增材制造工藝面臨挑戰(zhàn)，如設備購置成本高昂或者專用材料研發(fā)困難。因此，針對高質量備件的形性的需求特點，分析增材制造中關鍵因素對備件形性的影響，制定兼顧技術可行性與經濟可行性的形性一體化工藝方案顯得尤為必要，如圖1 所示。

圖1 備件增材制造工藝研究框架

目前，AM 形性一體化研究已經受到學術界和產業(yè)界關注。盧秉恒[9]提出基于人工智能技術發(fā)展形性智能可控增材制造技術裝備是AM 未來的核心發(fā)展目標；劉曉晨等[10]對FDM 和SLA 兩種工藝形性一體化中的工藝可成形性進行了量化分析。針對備件增材制造工藝匹配性評估，工業(yè)領域非金屬備件用量較多，亦需要關注，同時需要兼顧技術可行性和經濟可行性。

一方面，備件國產化有一定風險，為保證生產正常進行，有效避免備件國產化后可能產生的工作效率和運行質量下降問題，應針對不同特點的進口裝備零部件進行技術可行性分類評估：①針對高精度類標準件，可以采用國家標準或相關領域質量檢驗規(guī)定進行評估；②針對非標類進口備件的國產化，可以根據原件的實際工況設定國產備件技術要求，特殊性能要求需要通過材料性能測試實驗獲得?？傊?，備件國產化實施方案中需要選擇合適的評估標準，在材料選擇、生產工藝等方面應盡可能使用國家標準檢驗評估，以此避免不必要的技術繁瑣。

另一方面，增材制造中除了對比現有零件與替代零件的物理、機械等性能參數之外，還應對不同生產工藝下的研發(fā)周期、生產周期、效率和成本等多方面綜合比較，并能夠回答以下問題：什么備件適合增材制造、何時進行制造、制造多少等。鑒于增材制造的技術優(yōu)勢，其效率和成本優(yōu)勢明顯，尤其考慮到備件替代延長了原設備的使用壽命，其經濟效益明顯。

2 線纜接頭增材制造工藝研究和評估

2.1 問題的提出

某公司引進的自動鎖螺絲機每年因為線纜接頭損壞或者松動導致的失效有很多，面對這種情況只能購買新電纜，購買新電纜價格昂貴，每年上百萬成本。如果能夠實現接頭國產化，只要更換接頭就可以繼續(xù)使用，可以節(jié)省很大一筆費用。

2.2 技術難點分析

形和性的特殊性：線纜接口精度要求低于0.2 mm，因結構形狀復雜，有多層極微小的沉孔結構和不規(guī)則薄壁特征，且當前的針對塑性耗材增材制造工藝在0.2 mm 的誤差范圍內難以呈現出接頭的微小沉孔特征，現有產品很難找到可替代的；接頭的材料為成分未知的高分子材料，其具有吸能、強絕緣、工作溫度范圍大、非易燃、高韌性的特點。

2.3 實驗評估與驗證

2.3.1 形性一體化工藝研究初步方案

為獲得滿足要求的材料，將按照以下邏輯進行試驗驗證，技術路線如圖2 所示，主要實施步驟如下：

圖2 線纜接頭國產化替代實驗技術路線

（1）根據線纜接頭的實際工況設定國產化備件的性能設計標準。

（2）對原件進行測繪，應用拓撲結構優(yōu)化進行三維建模。

（3）在現有的AM 成型工藝中尋找合適的材料，形成具體的工藝方案。

（4）檢驗打印件幾何精度是否滿足設計要求。

（5）在滿足成型精度的前提下測試材料的裝配性能和使用性能。

（6）根據備件國產化全過程成本，綜合比較分析研發(fā)周期、生產周期、效率和成本等多方面效益。

2.3.2 3D 打印方案

（1）線纜接頭性能標準設計

線纜接頭是用來鎖緊和固定進出線，起到防水防塵防震動的作用，其處于自動鎖螺絲機受持部位附近，要求絕緣性好、耐高溫、阻燃性好，產品使用過程中經常拉拽，對線纜接頭的強度和韌性的要求高。

（2）幾何模型重構

該線纜接口為具有多個多層沉孔結構的圓柱殼體，所以采用接觸式測量方法測量其輪廓數據。線纜接口精度要求低于0.2 mm，因此對于接口外壁、肋板和初層沉孔的測量，采用分辨率為0.01 mm 的數顯游標卡尺即可。對于更深層的沉孔結構，由于其孔徑極小使用尺規(guī)測量或激光掃描儀，都無法得到準確的數據，因此輔助采用了石蠟制取陽模的方式，并對孔徑及孔深進行了多次測量，以提高測量精度。

（3）增材制造工藝及材料選擇

該線纜接頭材料為成分不明的高分子材料，綜合工藝與成本兩個因素，選用校內工程訓練中心現有的SLA（立體光固化成型）、MJF（射流熔融3D 打?。?、SLS（選擇性激光燒結）四種增材制造工藝設備進行3D 打印，并對打印質量進行分析，所用3D 打印材料及性能見表1。

表1 3D 打印材料及性能

試制件沉孔特征、薄壁特征打印效果見表2。結果表明：采用SLS 技術及其對應耗材打印的試制件因耗材粉末顆粒粗大，未能成型線纜接頭中的薄壁特征，在該耗材及其對應技術下的試制件成型精度不達標；而采用SLA 和MJF 技術及其對應耗材打印的試制件成型精度均符合產品的成型精度的指標，均可以現場采用。

表2 不同3D 打印工藝的線纜接頭質量與精度分析

（4）成本及效益分析

a.作為線纜接頭的替代件，其成本與購買新電纜相比成本效益明顯，可以為企業(yè)每年節(jié)約上百萬新品購置費用。

b. 利用增材制造技術可快速生產線纜接頭替代件，減少因貿易壁壘帶來的缺貨風險。

c.如果從企業(yè)內部所需延伸到整個行業(yè)，可以考慮規(guī)模化生產，具有顯著的社會效益；雖然目前的備件試驗件具有了原件的形性功能要求，已應用于工業(yè)現場，滿足了“應急性替代”，但使用壽命還有待進一步觀察。

為了形成“持久性替代”的工藝方案還需要深入探討材料的特性，并綜合考慮增材制造設備的成型工藝，以上工作則需要研發(fā)成本的投入，需要從備件風控管理角度評估其必要性。

3 結論

面對國際貿易爭端等不確定性，工業(yè)備件備品的管控策略面臨新的挑戰(zhàn)，在總結目前備件國產化替代方案的基礎上，重點關注適用于形性一體化的備件增材制造工藝研究，研究內容總結如下：

（1）分析了高質量工業(yè)備件的技術特性、形性質量影響因素及保障措施。

（2）提出了適用于工業(yè)備件的形性一體化增材制造工藝研究框架，分析了AM 用于工業(yè)備件國產化替代的可行性及存在的問題。

（3）提出了形性一體化增材制造試驗技術路線，并以線纜接頭為例進行了試驗研究和分析。

（4）不足之處：由于增材制造過程涉及材料、結構、工藝過程、后處理等諸多因素，發(fā)展形性可控的增材制造技術和裝備面臨挑戰(zhàn)，本文基于現有的增材制造裝備與材料進行備件替代件的工藝研究，研究對象基本滿足了現場使用要求，如需提高備件的質量和使用壽命，還需要進一步開展性能測試試驗和評估。