天津鐳明激光葉洎沅：增材制造中的智能化應(yīng)用

2020年8月20日-21日，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年會(huì)在安徽蕪湖市舉行，此次年會(huì)由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、蕪湖市人民政府指導(dǎo)，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對(duì)本次會(huì)議進(jìn)行了直播。

△精合集團(tuán)首席戰(zhàn)略官兼任天津鐳明激光科技有限公司總經(jīng)理、上海模具技術(shù)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)葉洎沅發(fā)表《增材制造中的智能化應(yīng)用》主題演講

以下是本場(chǎng)演講的現(xiàn)場(chǎng)速記，經(jīng)大會(huì)組委會(huì)授權(quán)發(fā)布

葉洎沅：非常高興又一次來(lái)到蕪湖，以前也經(jīng)常去繁昌，在坐的很多都是老朋友，今天非常高興給大家?guī)��?lái)一個(gè)稍微不同的話題——《增材制造中的智能化應(yīng)用》。
首先講一下鐳明激光現(xiàn)在在做的事，還有增材制造普遍面臨的質(zhì)量與效率問(wèn)題，如何通過(guò)智能化的手段以及智能化在其中發(fā)揮的價(jià)值。

鐳明激光是行業(yè)中的新兵，2017年在天津成立，今年是第三年，但是我們的母公司鑫精合在行業(yè)里算是老兵了，過(guò)去大量使用進(jìn)口裝備進(jìn)行軍工及民用行業(yè)的加工服務(wù)，現(xiàn)在隨著自己的裝備研發(fā)制造能力的提升，未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模在成倍增長(zhǎng)，短短兩年時(shí)間自己的裝備數(shù)量從0臺(tái)快速擴(kuò)展到將近50臺(tái)，而且還在飛速的擴(kuò)展中。目前鐳明激光主要做四塊業(yè)務(wù)：一塊是標(biāo)準(zhǔn)化增材制造裝備，從選區(qū)激光熔化（SLM）工藝到激光近凈成型（LENS）工藝，還有一個(gè)新興的業(yè)務(wù)是電弧增材（WAAM），我們?cè)谶@方面投入大量人力物力進(jìn)行裝備、材料和相關(guān)工藝研發(fā)已經(jīng)取得非常多的成就，得到很多行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用；另外一塊業(yè)務(wù)是幫助用戶定制設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備當(dāng)然有它的用武之地，但是要想最大化發(fā)揮增材制造的價(jià)值一定要結(jié)合用戶的實(shí)際產(chǎn)品和它所用的材料和工藝，我們?cè)龠M(jìn)行裝備的定制，這個(gè)定制從尺寸、激光器、能量來(lái)源，甚至從工藝要進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)，幫助用戶最大化發(fā)揮增材制造的價(jià)值，這是我們認(rèn)為未來(lái)的方向，也是我們現(xiàn)在非常重要的一塊業(yè)務(wù)；另外一塊涉及到材料、工藝相關(guān)開(kāi)發(fā)以及裝備后期維護(hù)和售后服務(wù)。

我們的工藝分三大塊：一塊是選區(qū)激光熔化工藝，鐳明現(xiàn)在有三個(gè)型號(hào)的設(shè)備已經(jīng)發(fā)布，其實(shí)還有很多設(shè)備沒(méi)有發(fā)布，但也在為中國(guó)的制造業(yè)提供服務(wù)，按照成型尺寸從小到大分別是LiM-X150A、LiM-X260A、LiM-X400A（如下圖），也可以從最底下的圖片看到成型尺寸的對(duì)比。

很多朋友還在關(guān)心增材制造的部件，我們現(xiàn)在很多部件已經(jīng)進(jìn)入到量產(chǎn)階段，這里展示的是三個(gè)部件（下圖），很遺憾不能說(shuō)型號(hào)，我甚至不能說(shuō)干什么的，但是這三個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入到非常大量的量產(chǎn)階段。

（上圖）最左邊的圖片是3根桿，其中最第三根桿是采用傳統(tǒng)工藝制造加工的，他是非常典型的需要分別加工然后進(jìn)行焊接，上面有14個(gè)焊縫，你可以想象加工難度和合格率。通過(guò)運(yùn)用增材制造技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，讓15個(gè)部件最后合成一個(gè)部件，然后增材制造進(jìn)行打印。過(guò)去增材制造是采用進(jìn)口設(shè)備來(lái)做，效果當(dāng)然很好，但是不幸的是由于國(guó)外進(jìn)口設(shè)備有各種限制導(dǎo)致我們一次只能做一個(gè)件，采用國(guó)產(chǎn)定制化裝備之后，我們一次可以做六個(gè)，這樣整個(gè)成形的合格率大幅度提升，同時(shí)材料利用率也提升了，最重要的是加工效率提升之后，整個(gè)單件成本顯著降低。（上圖）右邊這兩個(gè)部件也是現(xiàn)在兩個(gè)非常重要的量產(chǎn)部件，我們可以看到它通過(guò)在一板上打印多個(gè)的方式快速形成產(chǎn)能，同時(shí)提高結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。尤其像（上圖）最右邊的部件，我們公司在疫情期間所有設(shè)備滿足運(yùn)行，60%的產(chǎn)能就是在生產(chǎn)這一個(gè)部件，你可以想象我們生產(chǎn)了多少個(gè)，而且最近客戶告訴我們你要把你的產(chǎn)能擴(kuò)大5倍，就為這一個(gè)部件，要把我們的產(chǎn)能提高5倍。我們已經(jīng)用事實(shí)證明3D打印線現(xiàn)在已經(jīng)完全進(jìn)入量產(chǎn)階段，而且批量化制造，需求越來(lái)越大。

激光近凈成型工藝，這是我們常見(jiàn)的裝備。激光近凈成型的特點(diǎn)就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異很大，所以往往是結(jié)合客戶需求進(jìn)行定制，所以我們可以從小到大從1.5米做到4.5米這樣的超大尺寸結(jié)構(gòu)。

（上圖）這是今年大家可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)的新聞，就是今年5月份空間站的返回艙成功返回地面，其中它的防熱大底就是采用激光近凈成型制造的結(jié)構(gòu)，在五院的指導(dǎo)下我們完成了毛坯部分。

我們也在做電弧增材，我認(rèn)為電弧增材是未來(lái)的重要趨勢(shì)，尤其在汽車這種民用行業(yè)做再制造的過(guò)程中將會(huì)有大量的應(yīng)用，同時(shí)現(xiàn)在這個(gè)應(yīng)用目前主要用在石油或者礦山機(jī)械以及水輪機(jī)、核電等領(lǐng)域，它使用金屬絲材加熱熔化，同時(shí)采用電弧作為能量來(lái)源，當(dāng)然具體的電弧又分好幾種，從等離子焊到氬弧焊等各種工藝我們都進(jìn)行了大量測(cè)試，可以根據(jù)用戶使用的材料不同開(kāi)發(fā)特定工藝，而且因?yàn)槭褂玫碾娀∽鳛槟芰縼?lái)源加上絲材整個(gè)制造效果也是傳統(tǒng)激光近凈成型工藝的5倍以上，加工效率更高、成本還低，非常適用于將來(lái)民用領(lǐng)域增材制造的擴(kuò)展，這方面我們今年也取得了一些突破。

回過(guò)頭來(lái)我們說(shuō)一下增材制造中的質(zhì)量與效率問(wèn)題。

成功的故事在座的同行看到已經(jīng)非常振奮，當(dāng)然不只是這一個(gè)案例，比如空客發(fā)動(dòng)機(jī)掛架典型的結(jié)構(gòu)（上圖）也通過(guò)量產(chǎn)認(rèn)證。但是早上張主任也提到我們?yōu)槭裁丛诿駲C(jī)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)增材制造的適航認(rèn)證還沒(méi)有完全開(kāi)展，甚至還沒(méi)有完全成功的案例？很大的原因是它的難度。我們公司現(xiàn)在也在參與一些民機(jī)型號(hào)重點(diǎn)增材制造部件的適航認(rèn)證。為了做這個(gè)適航認(rèn)證我們從材料到加工過(guò)程到后處理過(guò)程，也包括實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的所有環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行大量，甚至標(biāo)準(zhǔn)的成形制定，我們的材料在幾十毫秒的時(shí)間從幾百度增加到幾十萬(wàn)度，從很短時(shí)間又從幾十萬(wàn)度下降回來(lái)，這是一個(gè)急冷急熱的過(guò)程，就是歷史上所有的冶金成形過(guò)程都沒(méi)有這樣，所有相關(guān)的適航認(rèn)證的工作、檢驗(yàn)工作都必須要重新完成，所以是非常巨大的工作量，我們這樣一個(gè)認(rèn)證工作已經(jīng)參與了三年，我預(yù)計(jì)即將收尾，但是仍然有大量工作要做，能夠參與這個(gè)過(guò)程及讓我們公司在整個(gè)知識(shí)儲(chǔ)備和流程沉淀上積累了非常多的經(jīng)驗(yàn)，但是難度非常大，這還只是一個(gè)航空的例子。今天有很多醫(yī)療界的朋友，我們也非常關(guān)注增材制造在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用，有很多成功的植入，但是往往大家會(huì)忽略一個(gè)故事，在去年5月份美國(guó)強(qiáng)生公司為了給4400位患者使用他們的骨科植入帶來(lái)一些問(wèn)題，給4400位患者賠償10億美元，不知道大家關(guān)注這個(gè)新聞沒(méi)有，所以增材制造尤其進(jìn)入量產(chǎn)階段和大規(guī)模使用之后，質(zhì)量問(wèn)題一定會(huì)發(fā)生，沒(méi)有任何人可以幸免，所以必須通過(guò)我們的努力去克服質(zhì)量問(wèn)題。增材制造作為一種工藝，它就是為了給客戶加工合格的產(chǎn)品，這是我們唯一的目標(biāo)，但是怎么樣實(shí)現(xiàn)，需要我們做大量的工作。

增材制造在控制質(zhì)量上，最重要的兩個(gè)指標(biāo)：一個(gè)是控性，一個(gè)是控形。不管是做功能件還是結(jié)構(gòu)件，材料性能不管是力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、導(dǎo)電性能這些都必須要想辦法實(shí)現(xiàn)，滿足用戶要求；另外控形，大多數(shù)增材制造零部件都需要和其他零部件進(jìn)行組裝，一個(gè)形狀出現(xiàn)偏差都會(huì)導(dǎo)致這個(gè)部件無(wú)法在整體結(jié)構(gòu)上使用，所以這兩個(gè)目標(biāo)是核心的，沒(méi)有任何人可以繞過(guò)去，未來(lái)所有的努力都必須符合這個(gè)目標(biāo)。

在滿足質(zhì)量的前提下，還要考慮效率問(wèn)題，不能是為了滿足質(zhì)量，我花無(wú)限多的時(shí)間，沒(méi)有任何客戶等得起，比如以選區(qū)激光熔化工藝為例，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)到制造到后處理，后處理有大量的工序要做。環(huán)節(jié)非常多非常長(zhǎng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題或者環(huán)節(jié)之間出問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致效率非常慢。所以增材制造不只是要在打印過(guò)程中提高效率，要想辦法把整個(gè)鏈條的效率提升，還有大量的工作需要做。

影響質(zhì)量和效率的因素有多少？之前有一個(gè)報(bào)告，光以選區(qū)激光熔化這個(gè)工藝為例介紹影響質(zhì)量和效率的因素就有一百多個(gè)，包括設(shè)備、材料、工藝過(guò)程有大量的因素影響，其中有大量的影響是來(lái)源于人，從工藝設(shè)計(jì)到設(shè)備設(shè)計(jì)到材料開(kāi)發(fā)，因人的影響導(dǎo)致質(zhì)量和效率的問(wèn)題。

怎么面對(duì)這些問(wèn)題？智能化。

過(guò)去做一個(gè)樣件的時(shí)候無(wú)所謂智智能化，但是進(jìn)入量產(chǎn)階段，怎么樣提高質(zhì)量？提高效率？不能完全靠人的經(jīng)驗(yàn)去控制，必須要采用一些智能化手段實(shí)現(xiàn)。還以SLM工藝為例，每個(gè)環(huán)節(jié)都有哪些智能化手段可以應(yīng)用這是需要思考的問(wèn)題，我稍微簡(jiǎn)要寫(xiě)了一些，但是這里其實(shí)還有很多東西是遺漏的，比如沒(méi)有提到材料，材料的智能化開(kāi)發(fā)現(xiàn)在也是非常重要的趨勢(shì)，但是可能和裝備相關(guān)性不大，所以我沒(méi)有列。即便這樣，我們可以看到有大量的條件，比如從產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，是不是可以通過(guò)智能化仿真提升設(shè)計(jì)水平？讓設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)除了滿足功能要求之外，直接就可以試錯(cuò)終端制造工藝。馬總剛剛有一個(gè)工藝就是寶馬I8車的頂棚采用Solutions的設(shè)計(jì)，但是那個(gè)件的設(shè)計(jì)非常有講究，他在整個(gè)打印過(guò)程中幾乎完全沒(méi)有加支撐，而且通過(guò)層層疊加，一板可以打600個(gè)，這是什么樣的效率，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)，怎么樣通過(guò)智能化仿真手段提高加工效率和加工質(zhì)量，這是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)端就要開(kāi)始的。另外是工藝設(shè)計(jì)，材料設(shè)計(jì)還有工藝本身的仿真技術(shù)現(xiàn)在越來(lái)越成熟，怎么樣把這些技術(shù)用好也可以提高質(zhì)量和效率。另外是設(shè)備，我們現(xiàn)在已經(jīng)有50多臺(tái)設(shè)備，未來(lái)幾年內(nèi)可能要擴(kuò)大到一百臺(tái)甚至幾百臺(tái)，這么大量的設(shè)備如何管理？還要靠人管理幾乎沒(méi)有辦法想象，所以必須采用智能化的排產(chǎn)手段讓設(shè)備的利用率能夠提升。另外打印過(guò)程怎么監(jiān)控它的質(zhì)量？通過(guò)各種手段去監(jiān)控。另外后處理，這么多道工序怎么保證后處理不同設(shè)備之間能夠互相通訊，代加工的部件怎么從設(shè)備里面取出來(lái)，然后進(jìn)行快速的后處理，最后放到機(jī)加的時(shí)候又很容易找到它的基準(zhǔn)面，否則我怎么去空形，如果基準(zhǔn)變了，最后機(jī)加出現(xiàn)了問(wèn)題，都是有可能的，所以這里面包括零點(diǎn)定位系統(tǒng)，后處理自動(dòng)化系統(tǒng)，都是我們需要考慮的問(wèn)題。我們?cè)谧鲑|(zhì)量控制的時(shí)候，試驗(yàn)和最終檢驗(yàn)需要建立一套智能化數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠讓我們快速分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題可能是什么原因造成？比如要打印一個(gè)產(chǎn)品，快速利用數(shù)據(jù)庫(kù)回溯這個(gè)問(wèn)題是什么原因？當(dāng)我們批量化制造的時(shí)候可以避免這種問(wèn)題。

比如從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度怎樣利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)快速形成想要的結(jié)構(gòu)，而且現(xiàn)在的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以把增材制造的工藝條件，比如最小尺寸，比如最薄不能超過(guò)多少，最厚不能超過(guò)多少，哪些地方需要減少支撐，在拓?fù)鋬?yōu)化的時(shí)候已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，那么我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候需要把這些工具用好。

模具設(shè)計(jì)也是這樣的，怎么設(shè)計(jì)隨行水路，除了滿足功能之外，怎樣讓模具溫度控制的更好，怎樣優(yōu)化水路不容易堵塞，讓水垢不容易生成，這樣也是需要智能化仿真軟件來(lái)完成的。

向Materialise的自動(dòng)加支撐，怎么樣能夠快速拿到一個(gè)結(jié)構(gòu)自動(dòng)生成支撐，而且支撐的可選擇形式可以更多，進(jìn)一步幫助提高質(zhì)量和效率，另外自動(dòng)加支撐還可以節(jié)省后處理時(shí)間，因?yàn)橹�撐設(shè)計(jì)的好，后面將很容易去掉。

過(guò)程仿真，利用打印過(guò)程仿真可以更好地分析可能產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，把可能產(chǎn)生的開(kāi)裂、質(zhì)量隱患從一開(kāi)始就消除，這樣可以整體縮短制造時(shí)間，提高效率，減少返工，讓合格率得以提升，這就是我們的價(jià)值所在。比如從預(yù)測(cè)變形、預(yù)測(cè)應(yīng)力、預(yù)測(cè)熱應(yīng)變、另外可能產(chǎn)生的變形在結(jié)構(gòu)上做一些補(bǔ)償，這些都是我們可以使用到的功能。

這是很典型的案例（下圖），也是我們真實(shí)做的，在最開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候就發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上方很容易產(chǎn)生變形，后來(lái)經(jīng)過(guò)仿真之后局部做一些補(bǔ)償，最后可以很好地實(shí)現(xiàn)形狀控制。

智能化調(diào)度。當(dāng)我們有多臺(tái)設(shè)備的時(shí)候，怎么樣把訂單根據(jù)材料、尺寸以及其他的約束用智能化進(jìn)行排查？讓設(shè)備利用率大幅度提升，同時(shí)讓整個(gè)生產(chǎn)線均衡。比如第一條生產(chǎn)線可能設(shè)備要進(jìn)行維護(hù)怎么進(jìn)行預(yù)測(cè)性的維護(hù)？同時(shí)把維護(hù)時(shí)間也考慮到排程，這些都是未來(lái)可以開(kāi)發(fā)的，這套東西目前還不存在，但是非常值得做。

質(zhì)量監(jiān)控。打印過(guò)程的質(zhì)量監(jiān)控。剛才說(shuō)對(duì)打印的質(zhì)量影響因素非常多，包括激光功率、掃描速度、風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)、光束質(zhì)量，很多企業(yè)都會(huì)忽略風(fēng)場(chǎng)設(shè)計(jì)，包括熔池監(jiān)控、氧含量監(jiān)控、激光功率監(jiān)控，這些都是增材制造裝備研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)軟件硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)這樣的監(jiān)控，把質(zhì)量隱患第一時(shí)間抹殺掉。

后處理方面。比如是否設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的零點(diǎn)定位，設(shè)計(jì)一些夾具包括定位系統(tǒng)，有硬件部分、軟件部分，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)打印結(jié)束之后，在后處理過(guò)程中比較容易找到基本點(diǎn)，避免后續(xù)工序出現(xiàn)錯(cuò)誤。


自動(dòng)化的清粉。比如當(dāng)有多臺(tái)設(shè)備是否可以共用一個(gè)自動(dòng)化的清粉站，進(jìn)一步提高整個(gè)生產(chǎn)車間的效率。而且設(shè)備之間運(yùn)輸是不是也可以應(yīng)用AGV通過(guò)信息化的集成，把不同的設(shè)備關(guān)聯(lián)起來(lái)。

最后就是質(zhì)量數(shù)據(jù)分析。怎么能夠把質(zhì)量大數(shù)據(jù)建立起來(lái)，當(dāng)我打印幾百個(gè)部件，幾千個(gè)部件，積累了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也有仿真的數(shù)據(jù)，如何建立一套FMEA體系？我們叫失效模式分析，任何出現(xiàn)質(zhì)量缺陷能快速找到原因，是由哪些原因造成的，怎么樣快速追溯這些原因，這都是需要應(yīng)用不管是軟件還是硬件的手段快速積累的。

增材制造已經(jīng)從原型制造進(jìn)入到量產(chǎn)階段，有大量的案例，公開(kāi)的和不能公開(kāi)的都已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。這個(gè)過(guò)程怎么樣提高質(zhì)量的一致性？提高效率是所有行業(yè)同仁必須關(guān)注的一件事。我們的解決方案就是在這個(gè)過(guò)程中必須采用智能手段，用設(shè)備也好用計(jì)算機(jī)也好幫助我們避免一些錯(cuò)誤，所以在每個(gè)環(huán)節(jié)如何充分利用這些智能化技術(shù)是未來(lái)增材制造發(fā)展必須面臨的挑戰(zhàn)。我們希望和大家共同努力，為共同目標(biāo)，為更高效率提供更高質(zhì)量的產(chǎn)品，讓這個(gè)行業(yè)得以健康持續(xù)發(fā)展。謝謝大家。