綠色增材再制造技術(shù)

朱 勝 周超極 周克兵

陸軍裝甲兵學(xué)院再制造技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100072

0 引言

《中國制造2025》提出堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針[1]，綠色制造、智能制造是制造業(yè)的重大工程和發(fā)展方向，也是制造強(qiáng)國的重要著力點(diǎn)。為加快實(shí)施綠色制造，推動(dòng)工業(yè)綠色發(fā)展，工業(yè)和信息化部聚焦能源化工、重載機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域大型重載關(guān)重件再制造，研究制定了《高端智能再制造行動(dòng)計(jì)劃(2018—2020年)》，并指出到2020年，我國再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到2 000億元[2]。綠色增材再制造是綠色制造、智能制造的重要組成部分，符合“科技含量高、經(jīng)濟(jì)效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少”的新型工業(yè)化特點(diǎn)。通過推行綠色增材再制造，不僅有利于實(shí)現(xiàn)資源的綠色循環(huán)再利用，契合建設(shè)美麗中國的時(shí)代背景，也與《中國制造2025》推進(jìn)智能制造為主攻方向的指導(dǎo)思想一致，是中國未來經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的有力舉措。

1 綠色增材再制造技術(shù)的內(nèi)涵與特征

增材再制造技術(shù)是通過對(duì)缺損零件進(jìn)行反求建模、成形分層、路徑規(guī)劃，并采用智能控制軟件和適當(dāng)?shù)募す?、電弧、等離子等載能束增材工藝逐層堆積，最終實(shí)現(xiàn)損傷零件的尺寸恢復(fù)與性能提升的技術(shù)[3]。增材再制造技術(shù)能最大限度地挖掘損傷零件所蘊(yùn)含的附加值，避免廢舊零件的直接回爐和再成形等一系列加工中的資源能源消耗和環(huán)境污染。增材再制造系統(tǒng)框架及平臺(tái)實(shí)物見圖1。

(a)系統(tǒng)框架

(b)實(shí)物圖圖1 增材再制造系統(tǒng)平臺(tái)Fig.1 System platform of additive remanufacturing technology

增材再制造與增材制造均采用材料逐層堆積的方式進(jìn)行零件的加工，不同之處在于增材再制造實(shí)現(xiàn)的是損傷零部件的“壞中修好”，是在損傷零部件基礎(chǔ)上進(jìn)行的增材修復(fù)活動(dòng)，而增材制造則是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的“無中生有”，是新品的制造過程。由于增材制造與增材再制造的加工對(duì)象不同，所以兩者所采用的相關(guān)材料、工藝及裝備也有所區(qū)別。增材再制造的特有技術(shù)特征如下：

(1)增材再制造過程首先要對(duì)損傷零件進(jìn)行反求建模獲得缺損零件模型，再經(jīng)離散降維、逐點(diǎn)制造來實(shí)現(xiàn)零件缺損部位的堆積成形，而增材制造是數(shù)字化模型驅(qū)動(dòng)下的離散-堆積過程。

(2)增材再制造對(duì)象種類繁多、材質(zhì)各異，多數(shù)情況下所用的修復(fù)材料與零件本體材質(zhì)不同，這種異質(zhì)成形修復(fù)的界面行為與組織形成是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的過程，具有明顯的難匹配性和非均勻性特征。

(3)面向高端、在役裝備的增材再制造往往是在現(xiàn)場條件下進(jìn)行的，存在能源、氣氛、材料、時(shí)效、裝配特征等多維約束，而增材制造是在工廠條件下進(jìn)行的，所受約束較少，因此增材修復(fù)成形過程更具挑戰(zhàn)性，對(duì)智能控制的精度和穩(wěn)定性提出了更高要求。

增材再制造這種基于數(shù)字模型驅(qū)動(dòng)的損傷零件專業(yè)化尺寸恢復(fù)與性能提升技術(shù)是資源循環(huán)再利用的重要途徑，與制造新品相比，可節(jié)約成本50%，節(jié)能節(jié)材60%，減排70%[4]，是先進(jìn)制造和綠色制造的重要組成部分。同時(shí)，增材再制造也是資源再生利用的高級(jí)形式，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高資源回收利用率，構(gòu)建綠色制造體系，走生態(tài)文明發(fā)展道路的重要舉措，更是推進(jìn)綠色發(fā)展、低碳發(fā)展，促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要載體，高度契合了國家推進(jìn)的綠色發(fā)展戰(zhàn)略[5]。

2 發(fā)展綠色增材再制造技術(shù)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

在全球節(jié)能減排呼聲逐年高漲和我國政府實(shí)施綠色發(fā)展戰(zhàn)略的大背景下，綠色增材再制造技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，具有市場潛力巨大、政府高度重視的良好機(jī)遇。同時(shí)，由于其特有的技術(shù)特征，增材再制造技術(shù)的發(fā)展也存在著再制造材料集約化、異質(zhì)界面匹配性、成形精度難以滿足零部件使役性要求等技術(shù)挑戰(zhàn)[6]。具體表現(xiàn)在：

(1)隨著我國能源化工、重載機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域大型重載關(guān)重件“老齡化”現(xiàn)象的不斷加劇，以及在遠(yuǎn)海、隧道等特殊嚴(yán)苛服役環(huán)境長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，大量大型關(guān)重件面臨使役性能下降嚴(yán)重、使用維護(hù)成本不斷攀升甚至報(bào)廢的問題，增材再制造時(shí)間上的滯后性和技術(shù)上的先進(jìn)性契合了損傷零件因失效形式、結(jié)構(gòu)、性能要求等不同而產(chǎn)生的個(gè)性化修復(fù)需求，實(shí)施綠色增材再制造具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，從而形成了巨大的再制造市場需求。

(2)增材再制造作為綠色制造和智能制造的重要組成部分，已成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)中最活躍且最能體現(xiàn)高技術(shù)含量的要素。近年來再制造產(chǎn)業(yè)不斷得到國家政策的支持，《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟(jì)促進(jìn)法》《關(guān)于推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》《中國制造2025》《高端智能再制造行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》等一系列政策、法規(guī)密集出臺(tái)，大力推動(dòng)了再制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

(3)增材再制造生產(chǎn)對(duì)象具有種類繁多、材質(zhì)各異的特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)增材再制造材料與損傷零件本體材料的完全同質(zhì)匹配。目前適用于損傷零件異質(zhì)成形修復(fù)的增材再制造材料種類還比較少，為提高增材再制造零件的理化力學(xué)性能，滿足多數(shù)損傷零件增材再制造過程對(duì)材料的需求，亟需開展集約化增材再制造材料的設(shè)計(jì)與制備工作。

(4)增材再制造實(shí)現(xiàn)的是損傷零件的“壞中修好”，是在損傷零件的基礎(chǔ)上進(jìn)行的增材修復(fù)，其加工對(duì)象更復(fù)雜，無法將廣泛應(yīng)用于增材制造中基于直角坐標(biāo)系的三維操作機(jī)和控制軟件直接用于增材再制造過程。同時(shí)，受時(shí)間、空間、狀態(tài)等的多維約束，恒定的工藝規(guī)范難以保證增材再制造過程中材料按預(yù)定軌跡定量熔化和準(zhǔn)確沉積。

(5)在損傷零件增材再制造過程中，修復(fù)材料與零件基體材料在熔點(diǎn)、流動(dòng)性及收縮率等理化特性上具有較大差異，屬材料的異質(zhì)成形，且零件損傷表面往往為不規(guī)則表面，因此要實(shí)現(xiàn)零部件損傷表面的增材再制造修復(fù)還存在異質(zhì)界面問題。

3 綠色增材再制造技術(shù)未來的主攻方向及技術(shù)路線

3.1 現(xiàn)場多約束條件下增材再制造反演設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的零件制造過程是以原材料作為生產(chǎn)毛坯，經(jīng)機(jī)械加工、熱處理、裝配等形成零件成品的全過程，產(chǎn)品零件的制造過程是一個(gè)由材料組分、微觀結(jié)構(gòu)、加工工藝到使役性能的推演過程。綠色增材再制造是以廢舊產(chǎn)品作為生產(chǎn)毛坯，主要針對(duì)體積損傷零件開展的增材修復(fù)工作，所以其工藝過程設(shè)計(jì)步驟通常是:首先根據(jù)零件的使役性能要求進(jìn)行失效機(jī)理分析，推演出增材再制造零件應(yīng)具有的理化力學(xué)特性，進(jìn)而判斷出待增材修復(fù)部位應(yīng)具有的組織結(jié)構(gòu)和材料成分，并選用合適的載能束加工工藝。這是一個(gè)由零件使役性能向理化力學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)、材料組分和增材加工工藝逆向推演的過程[7]。另外，由于廢舊零件數(shù)量和質(zhì)量的多樣性，以及損傷模式的個(gè)性化，使得增材再制造的生產(chǎn)過程無法像生產(chǎn)新品一樣采用恒定的工藝規(guī)范進(jìn)行修復(fù)活動(dòng)。實(shí)現(xiàn)損傷零件的增材再制造需要較高的工藝柔性，需要根據(jù)零件的失效形式、服役環(huán)境、材料性能等情況來進(jìn)行工藝的適時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)綠色增材再制造生產(chǎn)過程的逆向反演?，F(xiàn)場多約束條件下增材再制造反演設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)研究路線見圖2。

圖2 現(xiàn)場多約束條件下增材再制造反演設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)研究路線Fig.2 Research route for additive remanufacturing inverse design and evaluation under multi-constraint conditions

為滿足多約束環(huán)境下高端在役裝備快速增材再制造的需求，未來增材再制造技術(shù)應(yīng)以技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等因素為邊界條件，運(yùn)用熱傳導(dǎo)理論、凝固相變理論、模糊數(shù)學(xué)理論及有限元模擬等方法，從時(shí)間、空間、狀態(tài)等多約束交互作用下的損傷件“使役性能→理化力學(xué)→組織結(jié)構(gòu)→材料工藝”的增材再制造反演機(jī)制出發(fā)，建立涵蓋可修復(fù)性和再制造性定量評(píng)價(jià)、修復(fù)材料/工藝/裝備選擇與實(shí)施、無損評(píng)價(jià)與壽命預(yù)測的全流程現(xiàn)場增材修復(fù)與再制造評(píng)價(jià)體系。

3.2 在役裝備損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及路徑規(guī)劃

增材再制造是以損傷零件為毛坯，由于各個(gè)零件損傷類型、損傷程度以及損傷部位均不相同，這些毛坯具有多樣性、小批量、個(gè)性化的特點(diǎn)，無法通過設(shè)定固定的工作程序?qū)崿F(xiàn)損傷零件的批量化流水式的修復(fù)[8]。在役裝備損傷零件進(jìn)行增材再制造的過程中，準(zhǔn)確、快速、完備地實(shí)現(xiàn)損傷零件高適應(yīng)性快速三維建模及路徑規(guī)劃是進(jìn)行零件增材再制造的重要基礎(chǔ)。在役裝備損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及路徑規(guī)劃研究路線見圖3。

圖3 在役裝備損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及路徑規(guī)劃研究路線Fig.3 Research route for fast adaptive 3D modeling and path planning of damaged area of equipment in service

為滿足在役裝備現(xiàn)場增材再制造對(duì)三維模型數(shù)據(jù)精度和數(shù)據(jù)處理效率的需求，未來應(yīng)重點(diǎn)研究損傷零件現(xiàn)場多模式復(fù)合三維測量、損傷模型高效重構(gòu)及坐標(biāo)融合、成形策略優(yōu)選及適應(yīng)性分析、數(shù)模分層及路徑規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以工業(yè)無線物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)的具備損傷模型快速獲取、成形策略優(yōu)選、智能化路徑規(guī)劃等功能的軟件系統(tǒng)一體化集成。

3.3 面向載能束增材再制造的集約化合金設(shè)計(jì)與制備

裝備零件具有種類繁多、類型多樣、數(shù)量龐大及材質(zhì)各異的特點(diǎn)[3]，在使役過程中零件的損傷往往具有復(fù)雜性、突發(fā)性和隨機(jī)性，而高端在役裝備對(duì)維修的時(shí)效性要求較高。綜合考慮損傷零件快速修復(fù)的時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性等因素，工程實(shí)際中很難保證在損傷零件增材再制造過程中實(shí)現(xiàn)增材再制造材料與損傷零件材料的完全同質(zhì)匹配。由此，需基于材料的相容性和異質(zhì)材料的交互作用規(guī)律，開展增材再制造材料集約化設(shè)計(jì)與制備的研究，以少數(shù)廣譜集約化材料對(duì)不同材質(zhì)的損傷零件進(jìn)行增材再制造。面向載能束增材再制造的集約化合金設(shè)計(jì)與制備研究路線見圖4。

圖4 面向載能束增材再制造的集約化合金設(shè)計(jì)與制備研究路線Fig.4 Research route for design and preparation of intensive materials used in the additive remanufacturing process

為滿足數(shù)量龐大的裝備常用鐵基、鎳基、鈦基、鋁基零件的增材再制造，應(yīng)重點(diǎn)研究以非平衡相變理論、非均勻晶界強(qiáng)化機(jī)理、彌散強(qiáng)化理論等為基礎(chǔ)的集約化材料組元種類匹配和以第一性原理、分子動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的集約化材料組元含量優(yōu)化，形成高品質(zhì)集約化材料設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，闡明異質(zhì)材料增材修復(fù)過程中的力學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)相容性，揭示增材再制造過程合金元素的交互作用規(guī)律及其在熔池快速凝固及往復(fù)再熱循環(huán)處理過程中的相變行為，建立集約化修復(fù)材料成形質(zhì)量調(diào)控方法。設(shè)計(jì)和制備出覆蓋材料種類多、適應(yīng)不同工藝的集約化材料，使其既能滿足異種材料之間具有良好的冶金相容性，又能保證零件所需的性能且高質(zhì)量成形是增材再制造領(lǐng)域未來的主攻方向之一。

3.4 在役裝備現(xiàn)場增材再制造形性調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)

損傷零件的尺寸恢復(fù)和性能提升是綠色增材再制造生產(chǎn)的核心任務(wù)。增材再制造技術(shù)采用載能束工藝實(shí)現(xiàn)損傷部位異質(zhì)材料的逐層堆積，造成了增材再制造熔覆層與零件基體由二元或多元異質(zhì)材料體系組成，使得二者之間存在著明顯的界面問題。這種異質(zhì)成形再制造的界面行為與組織形成是遠(yuǎn)離平衡態(tài)的過程，與同質(zhì)材料增材制造相比，具有明顯的難匹配性和非均勻性特征，且零件損傷表面往往為不規(guī)則表面，材料難以按軌跡準(zhǔn)確沉積、按位置定量熔化。由此，在役裝備現(xiàn)場增材再制造對(duì)形性協(xié)同調(diào)控提出了更高的要求。在役裝備現(xiàn)場增材再制造形性調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究路線見圖5。

圖5 在役裝備現(xiàn)場增材再制造形性調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究路線Fig.5 Research route for shape and performance control technology for additive remanufacturing

為滿足在役裝備現(xiàn)場增材再制造中對(duì)形性協(xié)同調(diào)控的需求，應(yīng)重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：加強(qiáng)修復(fù)材料與損傷結(jié)構(gòu)的工藝相容性，載能束與損傷結(jié)構(gòu)、修復(fù)材料交互作用及熱質(zhì)傳輸行為，異質(zhì)材料表/界面行為及其內(nèi)部冶金缺陷的形成機(jī)理及控制方法，現(xiàn)場修復(fù)再制造內(nèi)應(yīng)力演化規(guī)律及變形開裂預(yù)防技術(shù)，現(xiàn)場增材修復(fù)再制造組織性能調(diào)控方法等，解決在役裝備現(xiàn)場增材再制造“形”、“性”控制的工藝穩(wěn)定性難題。

4 結(jié)論

面向高端、在役裝備的綠色增材再制造技術(shù)高度契合了《中國制造2025》提出的全面推進(jìn)綠色制造的戰(zhàn)略重點(diǎn)。通過推行綠色增材再制造技術(shù)，聚焦現(xiàn)場多約束條件下增材再制造反演設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)、在役裝備損傷區(qū)域高適應(yīng)性快速三維建模及路徑規(guī)劃、面向載能束增材再制造的集約化合金設(shè)計(jì)與制備、在役裝備現(xiàn)場增材再制造形性調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)等未來重點(diǎn)主攻方向，構(gòu)建綠色增材再制造技術(shù)體系，不僅有利于實(shí)現(xiàn)資源環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，也必將助推中國未來經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。