国家增材制造创新中心薛飞：送粉式激光增材与减材复合制造装备及工艺应用

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造工艺与装备论坛”，国家增材制造创新中心项目经理薛飞做了主题是《送粉式激光增材与减材复合制造装备及工艺应用》的报告。

下面是现场速记：

下面由我做一个增减材方面的报告，前面专家提到了增材和减材的复合，说明这有着它的重要性。我们有一个团队大概20个人左右，专门专注于送粉式激光增材与减材复合制造装备及工艺的研究，我们2017年初成立，2018年6月份开发出第一台设备，在今年9月份的时候开发出了它的改进版，就是带气氛保护的增材与减材复合制造。针对航空航天的具体需求开展了工艺应用的研究，非常荣幸能代表我们团队向各位专家、各位来宾汇报一下我们的工作进展，以及谈一下我自己对增减材复合制造比较浅薄的认识。

一、增减材复合制造技术现状
金属增材主流两种工艺，一种就是大家通常说的铺粉，一种就是大家通常说的送粉。铺粉是在粉末床的基础上通过激光扫描实现成形，送粉是通过送粉头或者激光熔头或者焊枪这样的关键部位，在运动机构的带动下实现它的成形。目前这两种技术，SLM和LMD都有做增减材复合制造。一般是在单层或者十层左右，成形以后做铣削。但是铣削有一个特点，不管是等高或者形面铣，实际上是做水平或者朝上层面，如果朝下是做不到的。所以这一类的复合目前在报道中通常应用在一些复杂行腔的模具中。

为什么要用五轴？大家看这个图的悬臂结构，如果加一个设备，可以实现悬臂特征的自由变位，可以实现增材和减材功能的自由切换。所以这种LMD和五轴铣削符合这样的方式适合我们通常说的毛坯成形增减材复合制造。增材的表面相对是比较粗的，如果在一台机床上实现增材和减材复合的话，我首先可以修正它的机准，即使我拿到另外一台五轴上去做的话已经有了一个机准，对校对有很大的好处。当然从发展方向上来讲，边增边减大家可以想像，航空航天复杂零件很多，内孔内腔内流道，今天上午航空航天论坛有专家也提到这些，现在这些怎么做呢？通常用铸造、焊接等一系列的手段，焊接有残留物，这个对于航空航天是有风险的。表面质量成形方面是有影响的。而我现在把零件进行分解，实现在过程中它的增材和减材的复合。

我碰到最常见的问题，大家会问如果要逐个特征的复合，要不要做热处理，在后面增材的过程中，前面的特征加工过了如果它变形了怎么办？这是最常见的问题，我在后面会阐述。这种方法比较适合于中大尺寸，铺粉会受到粉末槽的影响，一般尺寸在500以内。送粉理论上来讲运动机有多大，成形零件就有多大，这是理论上的，实际过程中有一些复杂的问题。所以说适用范围可以应用在航空航天模具等复杂零件的一体化制造与修复。

我们回顾一下目前送粉式增减材复合制造设备的现状，制造厂商分为两类，一类的特点是数控机床出身，一类的特点是工艺的提出者，套用我们比较时髦的词就是“+的概念”，一类是增材+，一类是减材+，也就是大家为什么看到不管是哪一家都没有整体细分，他们更关注于不锈钢高温合金不易氧化材料的成形，因为他们做传统工艺设备起家。从结构形式上来看也是两种形式，这是主流的设备，像DMG的65 3D设备，都是用摇篮的五轴形式，可以自由变换姿态，解决局部特征的变位问题，实现在成形过程中法向成形，不用斜着打，保证成形质量。像另一个产品4300是卧式的形式，这两个机床主要用于燃气轮机大型叶片的修复，所以选择了卧式车铣的结构。在企业方面，我们的大连三垒在两三年前已经做出了这样的复合设备，我们国创中心也开展了这样的工作。

我们可以总结一句话，增材和减材的功能复合不是问题，因为增材和减材的功能部件本身是成熟的，如果简单的复合起来，不管是换刀的形式或者其他的形式，加一个模组上下移动都是可以的。为什么它现在的应用受到了限制或者还没有得到充分的验证？就是工艺验证没有得到充分的证实，从目前的报道上来看，工艺验证还是很有限的。当然我们现在致力于这方面的工作，下面看一下为什么要做增减材？这个需求不管是航发的专家还是航天系统的专家，讲的都非常多，我分成两类零件。一类是开式零件，一类是闭式零件。开式零件是航空发动机的机匣和叶轮，大家知道材料利用率很低，如果用增减材复合把毛坯打出来，可以进行接近最终的成形，这样材料去除率得到有效的控制，所以这一类零件就可以尝试用我们的边增边减，这样可以实现一体化成形。其他方面早上航空航天论坛各位专家也讲了很多。

二、五洲增减材复合制造设备LMDH600介绍

在航天航空企业中得到了验证，我们做了什么工作呢？把增材集成进去，结合增材工艺特点做了一系列的开发，除了五轴联动以外实现了复合。这是我们的主要参数，目前这个型号最大的加工直径到625毫米，成形效率达到大于等于200立方厘米/小时。材料是需要强调的，我们可以做钛合金，因为有整体气氛保护。

刚才汇报的在数控机床上集成增材成形，功能复合本身不是问题，但是难点在专用数控系统的开发。大家知道不管是西门子或者国内的数控系统也好，是五轴加工起家，在加工过程中不考虑增材的需求，增材和减材是两个领域、两个工作环境的加工模式，增材是热成形，工艺参数和环境本身是不一样的，所以简单的用传统的五轴加工，数控系统能不能用呢？是可以实现基本功能的。但是如果我们要进一步实现所谓的智能控制，在线检测和工艺控制，需要对数控系统进行深入的二次开发，非常遗憾西门子这个是不对我们开放的。这方面我们开放式数控机床的基础上做了一些工作，首先集成了熔池同轴测温，集成了CCD熔池形状监测，能够实时的修正工作距离。我们实现了激光功率的标定，大家经常问我激光器是衰减的，衰减以后工艺参数是不是能匹配？所以我们增加了一个功能，配备便携式的激光功率控制，实现定期的标定，实现工艺参数实现精准的匹配。工作距离的补偿，保证这个工作距离的稳定性，保证成形质量。闭环控制也有很多专家提到，目前正在开发当中，我们也在努力做这个事情。

结合增减材复合制造的需求我们开发了专用的界面，气氛保护和刀具冷却，我们设计了冷却气体的循环方式，保证恒压设计。目前我们在UG基础上做了二次开发，针对五轴增材编程，五轴增材和三轴增材是不一样的，这个不是单纯的平面，也有可能是曲线层，所以这个软件和传统的软件是有区别的。我们开发了分层切片模块以及专用的软件包。针对激光熔融系统，制定粉束及光束二维标定方法，我们自己做了一套系统，精准的标定粉斑的直径和标准距离，因为粉斑直径和送粉参数直接相关，通过明确粉斑直径设计定制熔头，明确在这个匹配状态下的参数窗口。如果我们买一个现成的头，这个设计是有匹配的，工艺窗口我们不知道，根据这个反向的设计，实现粉末的最大利用率，这是我们做的工作，也希望能上升到标准的水平，能够规范我们熔融系统的标准测试。

因为是五轴机床，我们评价增材成形的质量和精度质量以及五轴的加工能力，轮廓度控制在0.05毫米以内，这是我们做的不锈钢、模具钢、高温合金、钛合金等。这是17-4HP的组织分析，我们在这个基础上进一步开发能量控制功能。我们知道机理决定了冷却速率，也决定了最终的形貌，对能量输入进行主动控制，可以获取不同的冷却速率和参数，最右边的图已经趋向于等轴晶，我们这个也是这样的思路，通过工艺参数的匹配和控制实现控制，达到用户的使用要求。

三、增减材复合制造工艺研究案例

这是一个涡轮机匣，最大直径390毫米，高度233毫米。左边是打印过程需要29.5小时，右边是切削时间65小时，制造周期缩短了60%以上。后来经过检查，在安装边外仅有两处缺陷，其他方面是没有缺陷的。需要注意的是安装边我们是实际可以修正的，如果能够精准的定位到这个缺陷的位置，可以用增减材的方式切掉补出来，实现缺陷的控制。另外还有力学性能的检测结果。

航天发动机螺旋叶轮。上面是打印的表面，粗糙度还是不错的，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达到正常的加工水平，打印时间是28个小时，切削时间44个小时，这个件如果抠出来需要以月来计算。我们对它的形状用五坐标测量设备进行了测量评价，如果不考虑位置误差的话，为什么这个曲线是这样的呢？叶片和轴是有一个跳动，因为是螺旋状，所以看到误差是正旋型。上表面的位置误差多了，下表面的位置误差就少了，我们调整上面和下面的量是可以修正过来的，所以自适应加工也是增减材技术中非常重要的。我们可以看到受到正旋曲线的因素，在轴线方向有串动，如果我们这个通过反变形的方法去做，有可能是可以修正的。总体来讲这个件的精度要求不是很高，如果把位置误差补偿掉，可以弥补这方面的误差。

第二种工艺是用了逐段成形铣削的方法。通过增材、铣削的步骤，零件本身可能不需要这样的过程，但是我们为了验证这个工艺的可行性，最后右边两个图是铣削完成的件，我们留了0.2毫米的余量，结果得到了最下图的那个零件。我们经过精度的分析，略好于之前的结果。所以我们觉得边增边减本身的形状精度是可控的范围。

最后总结一下工艺原则，我们觉得增减材复合制造不管是毛坯成形以后做减材，或者锻造毛坯+局部增材、逐个特征增减材，首先要考虑变形，变形是不可避免的，然后考虑热处理，进行铣削加工，这是对开式零件。对于闭式零件建议用特种加工，因为在前期边增边减的过程中，表面质量已经达到了一定的程度，余量得到了有效的控制，这种情况下如果再用电火花加工或者特种加工，本身加工的效率可以得到很明显的提升，如果这样的工艺存在着这样的必要性。

四、技术展望
装备方面的智能化，包括在线检测、闭环控制等一系列控制手段的集成，工艺复合是多种工艺的复合，包括锻件，最后是材料的复合，像刚才张老师提到的不同材料，比如不锈钢和铜复合，比如和钛的复合。从早上航空航天论坛各位专家的报告看到，需求是非常显著的，问题是很明显的，工艺亟待验证，而且借用早上向院士的一句话，希望它驱动设计，通过我们新的工艺手段来驱动工艺设计方法，不是被动的设计了一个结构想办法解决这样的加工问题。去应力、控变形、自适应加工，控性包括像江老师提到的用超声的方法实现了控性，我们增减材可能更关注去应力、控变形、自适应加工，找到这个来修正变形。编程和仿真软件，五轴和传统的三轴是有区别的，而现在UG这些软件供应商已经开始关注增材，包括五轴增材，像摇篮式里都有初步的编程，如果这个技术能进一步推动，商业化的因素跟上。难点是我们把用户的工艺策略定制进来，比如叶片的加工，实际用户用UG的我不知道有多少，可能有一些专用的工具等。就是它有它的工具策略，不同的精度有不同的工艺特点。所以工艺策略需要用户定制，通过这些努力技术成熟度能够不断的提升，目标是服务用户，希望协同发展，最终实现技术的推广应用。

我的报告就是这样，谢谢大家！