國家增材制造創(chuàng)新中心薛飛：送粉式激光增材與減材復(fù)合制造裝備及工藝應(yīng)用

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會(huì)暨高峰論壇將在西安高新國際會(huì)議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺(tái)，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打印）領(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場(chǎng)全程報(bào)道。

2019年9月 20 日“增材制造工藝與裝備論壇”，國家增材制造創(chuàng)新中心項(xiàng)目經(jīng)理薛飛做了主題是《送粉式激光增材與減材復(fù)合制造裝備及工藝應(yīng)用》的報(bào)告。

下面是現(xiàn)場(chǎng)速記：

下面由我做一個(gè)增減材方面的報(bào)告，前面專家提到了增材和減材的復(fù)合，說明這有著它的重要性。我們有一個(gè)團(tuán)隊(duì)大概20個(gè)人左右，專門專注于送粉式激光增材與減材復(fù)合制造裝備及工藝的研究，我們2017年初成立，2018年6月份開發(fā)出第一臺(tái)設(shè)備，在今年9月份的時(shí)候開發(fā)出了它的改進(jìn)版，就是帶氣氛保護(hù)的增材與減材復(fù)合制造。針對(duì)航空航天的具體需求開展了工藝應(yīng)用的研究，非常榮幸能代表我們團(tuán)隊(duì)向各位專家、各位來賓匯報(bào)一下我們的工作進(jìn)展，以及談一下我自己對(duì)增減材復(fù)合制造比較淺薄的認(rèn)識(shí)。

一、增減材復(fù)合制造技術(shù)現(xiàn)狀
金屬增材主流兩種工藝，一種就是大家通常說的鋪粉，一種就是大家通常說的送粉。鋪粉是在粉末床的基礎(chǔ)上通過激光掃描實(shí)現(xiàn)成形，送粉是通過送粉頭或者激光熔頭或者焊槍這樣的關(guān)鍵部位，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)它的成形。目前這兩種技術(shù)，SLM和LMD都有做增減材復(fù)合制造。一般是在單層或者十層左右，成形以后做銑削。但是銑削有一個(gè)特點(diǎn)，不管是等高或者形面銑，實(shí)際上是做水平或者朝上層面，如果朝下是做不到的。所以這一類的復(fù)合目前在報(bào)道中通常應(yīng)用在一些復(fù)雜行腔的模具中。

為什么要用五軸？大家看這個(gè)圖的懸臂結(jié)構(gòu)，如果加一個(gè)設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)懸臂特征的自由變位，可以實(shí)現(xiàn)增材和減材功能的自由切換。所以這種LMD和五軸銑削符合這樣的方式適合我們通常說的毛坯成形增減材復(fù)合制造。增材的表面相對(duì)是比較粗的，如果在一臺(tái)機(jī)床上實(shí)現(xiàn)增材和減材復(fù)合的話，我首先可以修正它的機(jī)準(zhǔn)，即使我拿到另外一臺(tái)五軸上去做的話已經(jīng)有了一個(gè)機(jī)準(zhǔn)，對(duì)校對(duì)有很大的好處。當(dāng)然從發(fā)展方向上來講，邊增邊減大家可以想像，航空航天復(fù)雜零件很多，內(nèi)孔內(nèi)腔內(nèi)流道，今天上午航空航天論壇有專家也提到這些，現(xiàn)在這些怎么做呢？通常用鑄造、焊接等一系列的手段，焊接有殘留物，這個(gè)對(duì)于航空航天是有風(fēng)險(xiǎn)的。表面質(zhì)量成形方面是有影響的。而我現(xiàn)在把零件進(jìn)行分解，實(shí)現(xiàn)在過程中它的增材和減材的復(fù)合。

我碰到最常見的問題，大家會(huì)問如果要逐個(gè)特征的復(fù)合，要不要做熱處理，在后面增材的過程中，前面的特征加工過了如果它變形了怎么辦？這是最常見的問題，我在后面會(huì)闡述。這種方法比較適合于中大尺寸，鋪粉會(huì)受到粉末槽的影響，一般尺寸在500以內(nèi)。送粉理論上來講運(yùn)動(dòng)機(jī)有多大，成形零件就有多大，這是理論上的，實(shí)際過程中有一些復(fù)雜的問題。所以說適用范圍可以應(yīng)用在航空航天模具等復(fù)雜零件的一體化制造與修復(fù)。

我們回顧一下目前送粉式增減材復(fù)合制造設(shè)備的現(xiàn)狀，制造廠商分為兩類，一類的特點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床出身，一類的特點(diǎn)是工藝的提出者，套用我們比較時(shí)髦的詞就是“+的概念”，一類是增材+，一類是減材+，也就是大家為什么看到不管是哪一家都沒有整體細(xì)分，他們更關(guān)注于不銹鋼高溫合金不易氧化材料的成形，因?yàn)樗麄冏鰝鹘y(tǒng)工藝設(shè)備起家。從結(jié)構(gòu)形式上來看也是兩種形式，這是主流的設(shè)備，像DMG的65 3D設(shè)備，都是用搖籃的五軸形式，可以自由變換姿態(tài)，解決局部特征的變位問題，實(shí)現(xiàn)在成形過程中法向成形，不用斜著打，保證成形質(zhì)量。像另一個(gè)產(chǎn)品4300是臥式的形式，這兩個(gè)機(jī)床主要用于燃?xì)廨啓C(jī)大型葉片的修復(fù)，所以選擇了臥式車銑的結(jié)構(gòu)。在企業(yè)方面，我們的大連三壘在兩三年前已經(jīng)做出了這樣的復(fù)合設(shè)備，我們國創(chuàng)中心也開展了這樣的工作。

我們可以總結(jié)一句話，增材和減材的功能復(fù)合不是問題，因?yàn)樵霾暮蜏p材的功能部件本身是成熟的，如果簡(jiǎn)單的復(fù)合起來，不管是換刀的形式或者其他的形式，加一個(gè)模組上下移動(dòng)都是可以的。為什么它現(xiàn)在的應(yīng)用受到了限制或者還沒有得到充分的驗(yàn)證？就是工藝驗(yàn)證沒有得到充分的證實(shí)，從目前的報(bào)道上來看，工藝驗(yàn)證還是很有限的。當(dāng)然我們現(xiàn)在致力于這方面的工作，下面看一下為什么要做增減材？這個(gè)需求不管是航發(fā)的專家還是航天系統(tǒng)的專家，講的都非常多，我分成兩類零件。一類是開式零件，一類是閉式零件。開式零件是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)匣和葉輪，大家知道材料利用率很低，如果用增減材復(fù)合把毛坯打出來，可以進(jìn)行接近最終的成形，這樣材料去除率得到有效的控制，所以這一類零件就可以嘗試用我們的邊增邊減，這樣可以實(shí)現(xiàn)一體化成形。其他方面早上航空航天論壇各位專家也講了很多。

二、五洲增減材復(fù)合制造設(shè)備LMDH600介紹

在航天航空企業(yè)中得到了驗(yàn)證，我們做了什么工作呢？把增材集成進(jìn)去，結(jié)合增材工藝特點(diǎn)做了一系列的開發(fā)，除了五軸聯(lián)動(dòng)以外實(shí)現(xiàn)了復(fù)合。這是我們的主要參數(shù)，目前這個(gè)型號(hào)最大的加工直徑到625毫米，成形效率達(dá)到大于等于200立方厘米/小時(shí)。材料是需要強(qiáng)調(diào)的，我們可以做鈦合金，因?yàn)橛姓�體氣氛保護(hù)。

剛才匯報(bào)的在數(shù)控機(jī)床上集成增材成形，功能復(fù)合本身不是問題，但是難點(diǎn)在專用數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)。大家知道不管是西門子或者國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)也好，是五軸加工起家，在加工過程中不考慮增材的需求，增材和減材是兩個(gè)領(lǐng)域、兩個(gè)工作環(huán)境的加工模式，增材是熱成形，工藝參數(shù)和環(huán)境本身是不一樣的，所以簡(jiǎn)單的用傳統(tǒng)的五軸加工，數(shù)控系統(tǒng)能不能用呢？是可以實(shí)現(xiàn)基本功能的。但是如果我們要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)所謂的智能控制，在線檢測(cè)和工藝控制，需要對(duì)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行深入的二次開發(fā)，非常遺憾西門子這個(gè)是不對(duì)我們開放的。這方面我們開放式數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上做了一些工作，首先集成了熔池同軸測(cè)溫，集成了CCD熔池形狀監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)的修正工作距離。我們實(shí)現(xiàn)了激光功率的標(biāo)定，大家經(jīng)常問我激光器是衰減的，衰減以后工藝參數(shù)是不是能匹配？所以我們?cè)黾恿艘粋�(gè)功能，配備便攜式的激光功率控制，實(shí)現(xiàn)定期的標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的匹配。工作距離的補(bǔ)償，保證這個(gè)工作距離的穩(wěn)定性，保證成形質(zhì)量。閉環(huán)控制也有很多專家提到，目前正在開發(fā)當(dāng)中，我們也在努力做這個(gè)事情。

結(jié)合增減材復(fù)合制造的需求我們開發(fā)了專用的界面，氣氛保護(hù)和刀具冷卻，我們?cè)O(shè)計(jì)了冷卻氣體的循環(huán)方式，保證恒壓設(shè)計(jì)。目前我們?cè)赨G基礎(chǔ)上做了二次開發(fā)，針對(duì)五軸增材編程，五軸增材和三軸增材是不一樣的，這個(gè)不是單純的平面，也有可能是曲線層，所以這個(gè)軟件和傳統(tǒng)的軟件是有區(qū)別的。我們開發(fā)了分層切片模塊以及專用的軟件包。針對(duì)激光熔融系統(tǒng)，制定粉束及光束二維標(biāo)定方法，我們自己做了一套系統(tǒng)，精準(zhǔn)的標(biāo)定粉斑的直徑和標(biāo)準(zhǔn)距離，因?yàn)榉郯咧睆胶退头蹍��?shù)直接相關(guān)，通過明確粉斑直徑設(shè)計(jì)定制熔頭，明確在這個(gè)匹配狀態(tài)下的參數(shù)窗口。如果我們買一個(gè)現(xiàn)成的頭，這個(gè)設(shè)計(jì)是有匹配的，工藝窗口我們不知道，根據(jù)這個(gè)反向的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)粉末的最大利用率，這是我們做的工作，也希望能上升到標(biāo)準(zhǔn)的水平，能夠規(guī)范我們?nèi)廴谙到y(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

因?yàn)槭俏遢S機(jī)床，我們?cè)u(píng)價(jià)增材成形的質(zhì)量和精度質(zhì)量以及五軸的加工能力，輪廓度控制在0.05毫米以內(nèi)，這是我們做的不銹鋼、模具鋼、高溫合金、鈦合金等。這是17-4HP的組織分析，我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步開發(fā)能量控制功能。我們知道機(jī)理決定了冷卻速率，也決定了最終的形貌，對(duì)能量輸入進(jìn)行主動(dòng)控制，可以獲取不同的冷卻速率和參數(shù)，最右邊的圖已經(jīng)趨向于等軸晶，我們這個(gè)也是這樣的思路，通過工藝參數(shù)的匹配和控制實(shí)現(xiàn)控制，達(dá)到用戶的使用要求。

三、增減材復(fù)合制造工藝研究案例

這是一個(gè)渦輪機(jī)匣，最大直徑390毫米，高度233毫米。左邊是打印過程需要29.5小時(shí)，右邊是切削時(shí)間65小時(shí)，制造周期縮短了60%以上。后來經(jīng)過檢查，在安裝邊外僅有兩處缺陷，其他方面是沒有缺陷的。需要注意的是安裝邊我們是實(shí)際可以修正的，如果能夠精準(zhǔn)的定位到這個(gè)缺陷的位置，可以用增減材的方式切掉補(bǔ)出來，實(shí)現(xiàn)缺陷的控制。另外還有力學(xué)性能的檢測(cè)結(jié)果。

航天發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋葉輪。上面是打印的表面，粗糙度還是不錯(cuò)的，基本上可以控制在比6.3稍微低一些的水平，加工表面的精度可以達(dá)到正常的加工水平，打印時(shí)間是28個(gè)小時(shí)，切削時(shí)間44個(gè)小時(shí)，這個(gè)件如果摳出來需要以月來計(jì)算。我們對(duì)它的形狀用五坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行了測(cè)量評(píng)價(jià)，如果不考慮位置誤差的話，為什么這個(gè)曲線是這樣的呢？葉片和軸是有一個(gè)跳動(dòng)，因?yàn)槭锹菪隣睿�所以看到誤差是正旋型。上表面的位置誤差多了，下表面的位置誤差就少了，我們調(diào)整上面和下面的量是可以修正過來的，所以自適應(yīng)加工也是增減材技術(shù)中非常重要的。我們可以看到受到正旋曲線的因素，在軸線方向有串動(dòng)，如果我們這個(gè)通過反變形的方法去做，有可能是可以修正的�？傮w來講這個(gè)件的精度要求不是很高，如果把位置誤差補(bǔ)償?shù)�，可以彌補(bǔ)這方面的誤差。

第二種工藝是用了逐段成形銑削的方法。通過增材、銑削的步驟，零件本身可能不需要這樣的過程，但是我們?yōu)榱蓑?yàn)證這個(gè)工藝的可行性，最后右邊兩個(gè)圖是銑削完成的件，我們留了0.2毫米的余量，結(jié)果得到了最下圖的那個(gè)零件。我們經(jīng)過精度的分析，略好于之前的結(jié)果。所以我們覺得邊增邊減本身的形狀精度是可控的范圍。

最后總結(jié)一下工藝原則，我們覺得增減材復(fù)合制造不管是毛坯成形以后做減材，或者鍛造毛坯+局部增材、逐個(gè)特征增減材，首先要考慮變形，變形是不可避免的，然后考慮熱處理，進(jìn)行銑削加工，這是對(duì)開式零件。對(duì)于閉式零件建議用特種加工，因?yàn)樵谇捌谶呍鲞厹p的過程中，表面質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了一定的程度，余量得到了有效的控制，這種情況下如果再用電火花加工或者特種加工，本身加工的效率可以得到很明顯的提升，如果這樣的工藝存在著這樣的必要性。

四、技術(shù)展望
裝備方面的智能化，包括在線檢測(cè)、閉環(huán)控制等一系列控制手段的集成，工藝復(fù)合是多種工藝的復(fù)合，包括鍛件，最后是材料的復(fù)合，像剛才張老師提到的不同材料，比如不銹鋼和銅復(fù)合，比如和鈦的復(fù)合。從早上航空航天論壇各位專家的報(bào)告看到，需求是非常顯著的，問題是很明顯的，工藝亟待驗(yàn)證，而且借用早上向院士的一句話，希望它驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，通過我們新的工藝手段來驅(qū)動(dòng)工藝設(shè)計(jì)方法，不是被動(dòng)的設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)想辦法解決這樣的加工問題。去應(yīng)力、控變形、自適應(yīng)加工，控性包括像江老師提到的用超聲的方法實(shí)現(xiàn)了控性，我們?cè)鰷p材可能更關(guān)注去應(yīng)力、控變形、自適應(yīng)加工，找到這個(gè)來修正變形。編程和仿真軟件，五軸和傳統(tǒng)的三軸是有區(qū)別的，而現(xiàn)在UG這些軟件供應(yīng)商已經(jīng)開始關(guān)注增材，包括五軸增材，像搖籃式里都有初步的編程，如果這個(gè)技術(shù)能進(jìn)一步推動(dòng)，商業(yè)化的因素跟上。難點(diǎn)是我們把用戶的工藝策略定制進(jìn)來，比如葉片的加工，實(shí)際用戶用UG的我不知道有多少，可能有一些專用的工具等。就是它有它的工具策略，不同的精度有不同的工藝特點(diǎn)。所以工藝策略需要用戶定制，通過這些努力技術(shù)成熟度能夠不斷的提升，目標(biāo)是服務(wù)用戶，希望協(xié)同發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

我的報(bào)告就是這樣，謝謝大家！