薛鳳桐，劉海濱

（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

前言

《中國制造2025》[1]中提出了我國實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)，逐步推進(jìn)工業(yè)化和信息化的融合，推動(dòng)智能制造的發(fā)展。而作為智能制造的重要組成，增材制造（Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱 AM），又稱“3D打印”，一直備受社會(huì)關(guān)注，并在科研單位和創(chuàng)新企業(yè)中成為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。當(dāng)前主流的增材制造技術(shù)主要包括：激光增材制造、電子束增材制造和等離子增材制造等方式。增材制造的出現(xiàn)，使得制造業(yè)有了新的活力，使得復(fù)雜的多腔零件有了一次性加工成型的可能。但是增材制造也不盡完善，存在著各種各樣的不足，比如材料利用率不高、存在空洞等缺陷。所以，已有的增材方式還有待完善，也有待開發(fā)新的經(jīng)濟(jì)高效的增材方式。

本文介紹了一種新的增材方式——先進(jìn)摩擦增材制造（Advice Friction Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱AFAM），對(duì)當(dāng)前AFAM的發(fā)展?fàn)顩r以及與其他增材方式進(jìn)行了分析和比較，提出了AFAM控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，最后在“軟件定義制造”的思路下給出了AFAM加工過程仿真的技術(shù)路線。

1 先進(jìn)摩擦增材制造

1.1 先進(jìn)摩擦增材制造

在2001年，美國北德克薩斯州大學(xué)著名的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）學(xué)者Rajiv Mishra教授就提出了摩擦攪拌處理[2]（Friction Stir Processing，F(xiàn)SP），而且在10余年的實(shí)踐中給出了摩擦攪拌增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing，F(xiàn)SAM）的過程，并在美國國家科學(xué)基金和美國軍方的支持下得到了鋁合金和鎂合金的試驗(yàn)驗(yàn)證[3][4]。這里所說的FSAM技術(shù)是以板材為進(jìn)料，利用FSW原理進(jìn)行的增材。之后印度學(xué)者J. John Samuel Dilip利用旋轉(zhuǎn)的棒料開展了摩擦沉積，實(shí)現(xiàn)了304不銹鋼的增材[5][6]。2015年，美國的Jacob Rollie Calvert在其碩士期間實(shí)現(xiàn)了鎂合金粉末作為進(jìn)料的增材制造，為推動(dòng)FSAM帶來了新的動(dòng)力[7]。

先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM）是在FSAM基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)與升級(jí)。AFAM同樣利用FSW的原理，在高速旋轉(zhuǎn)的刀具作用下與進(jìn)料摩擦，隨著溫度的升高進(jìn)料軟化，通過刀具的壓力實(shí)現(xiàn)一層一層的“增長(zhǎng)”，增材工藝的簡(jiǎn)易過程如下圖1所示。

AFAM是先進(jìn)技術(shù)研究院的東青高工與2017年8月提出的概念，同時(shí)以顆粒料為輸入在無任何夾持的條件下成功實(shí)現(xiàn)了鋁合金的增材[8]；同年11月，并將一臺(tái)普通銑床成功的改造成了AFAM概念樣機(jī)[9]。雖然與FSAM有同樣的機(jī)理，但AFAM豐富了進(jìn)料的形式，進(jìn)料不僅可以是板材，也可以是棒料、顆?；蚴欠勰?。同時(shí)在其摩擦攪拌的過程中創(chuàng)建了“真空微環(huán)境”，避免了半固態(tài)金屬的氧化，這樣對(duì)增材結(jié)果的質(zhì)量提升起到了積極的作用。此外，AFAM還在增材后的部分加入了錘鍛處理，使得增材材料的結(jié)構(gòu)更加致密。2017年12月，AFAM已經(jīng)發(fā)展出利用刀具頂端和側(cè)部進(jìn)行增材的兩種增材方式，AFAM已經(jīng)加快了發(fā)展的步伐。

圖1 AFAM增材工藝的簡(jiǎn)易過程圖

表1 AFAM與其他增材方式的對(duì)比

1.2 AFAM與其他增材方式的對(duì)比

表1給出了AFAM技術(shù)與激光增材制造、電子束增材制造、等離子增材制造等其他增材方式的對(duì)比，分別從精度、成型速度、性能、零件復(fù)雜度、零件尺寸以及成本等不同角度進(jìn)行論述。

根據(jù)表1，并結(jié)合AFAM的工藝過程，可以得出其具有如下特點(diǎn)：

（1）成型件性能優(yōu)異：基于FSW技術(shù)，獲得“純焊核”組織，晶體細(xì)小、均勻，性能達(dá)到甚至超過母材。

（2）增材材料廣泛：相比較其他增材制造方式，F(xiàn)SAM適合于輕合金，激光增材制造等并不適合；而且對(duì)于材料的形態(tài)沒有限制，可以使板、條、顆?；蚍勰瑹o需專門制備。

（3）增材效率高：相比激光、電子束等方式，F(xiàn)SAM技術(shù)更適合于中大型結(jié)構(gòu)件增材制造。

（4）成本較低：一是設(shè)備成本低，熱源產(chǎn)生于刀具與材料的摩擦，只需提供較高的旋轉(zhuǎn)速度，相比較激光、電子束等發(fā)生器成本低；二是增材材料較易獲得，材料成本降低；三是適合老舊機(jī)床的改造，降低報(bào)廢比例。

（5）綠色環(huán)保：一方面耗能小，另一方面不產(chǎn)生任何廢水廢氣。

目前，AFAM還處于起步階段，國內(nèi)外的摩擦增材試驗(yàn)均是在鎂鋁等輕合金上開展的。國內(nèi)南昌航空大學(xué)柯黎明教授利用鋁合金板材（YL12）開展增材試驗(yàn)，先進(jìn)技術(shù)研究院的東青高工是以鋁合金（7050）顆粒/粉末為增材材料。國外（以美國為主）則是以WE43鎂合金為主，涉及板材（Mishra教授）和粉末（Calvert），同時(shí)也有學(xué)者在以鋁合金展開試驗(yàn)。印度學(xué)者Dilip以“摩擦沉積”的形式實(shí)現(xiàn)了AISI 304不銹鋼的增材。摩擦增材一般集中在鎂鋁等輕合金上主要是由于其工藝特點(diǎn)決定的，摩擦增材是基于攪拌摩擦焊（FSW）的，F(xiàn)SW已經(jīng)成為輕合金焊接的主要方式之一，所以AFAM所面向的材料集中于輕合金，特別是廣泛應(yīng)用與航空航天的鋁合金和鎂合金。

雖然目前AFAM技術(shù)還處于探索研究階段，但關(guān)于其應(yīng)用前景，美國著名的FSW學(xué)者M(jìn)ishra教授認(rèn)為“FSW將成為新一代增材制造的核心技術(shù)”，并且給出了應(yīng)用領(lǐng)域[15]：第一，航空航天領(lǐng)域內(nèi)剛性的筋板和梁結(jié)構(gòu)，比如機(jī)身平面板的加強(qiáng)筋，航天大型鍛件15米大環(huán)（2219鋁合金）等；第二，化工和核部門的抗蠕變結(jié)構(gòu)，如圓柱形壓力容器；第三，其他應(yīng)用領(lǐng)域的功能和梯度材料，如外層是耐腐蝕材料，內(nèi)部是韌性材料等。

總的來看，通過與其他增材制造方式的對(duì)比、特點(diǎn)分析和應(yīng)用展望，AFAM技術(shù)的發(fā)展前景很好，有望成為廣泛應(yīng)用的增材制造方式。

2 AFAM加工控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本節(jié)主要是根據(jù)上述的分析對(duì)摩擦增材制造過程進(jìn)行集成化和智能化控制。本節(jié)根據(jù)AFAM的工藝特點(diǎn)，結(jié)合智能化控制方面的理論成果對(duì)摩擦增材制造加工控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AFAM控制系統(tǒng)）進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，提出AFAM控制系統(tǒng)的總體方案。本方案主要是基于粉末狀（顆粒狀或棒狀）進(jìn)料的摩擦增材方式。

2.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)AFAM控制系統(tǒng)的功能以及結(jié)構(gòu)劃分，該控制系統(tǒng)由以下分系統(tǒng)構(gòu)成：總體控制系統(tǒng)；刀具控制系統(tǒng)；進(jìn)料控制系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；材料支撐控制系統(tǒng)。

總體控制是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是加工控制系統(tǒng)的大腦，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信息的處理和對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)分配及控制。刀具控制系統(tǒng)主要是對(duì)刀具的控制，包括道具選擇和轉(zhuǎn)速等，實(shí)現(xiàn)對(duì)成型件的性能控制。另外，主要的形狀控制為材料支撐控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)的是XY平面上形狀以及Z向位移的控制，是主要的成型控制之一。進(jìn)料控制系統(tǒng)是對(duì)輸入的顆粒料（粉末料或絲狀料）的供給控制，比如供給速度、角度等，以保證成型件的性能。由于溫度對(duì)整個(gè)成型件的性能影響較大，故為了有效控制成型件的性能需要溫度控制系統(tǒng)。

2.2 各系統(tǒng)相關(guān)關(guān)系

各系統(tǒng)之間的關(guān)系如圖2所示，總控系統(tǒng)主要是完成兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是成型控制，另一個(gè)是性能控制。

在成型控制中，實(shí)際上一個(gè)零件的成型首先是對(duì)三維模型的切片，然后按照每片層的形狀進(jìn)行摩擦增材，最后再在縱向上進(jìn)行堆疊。因此，總體控制系統(tǒng)在成型控制這一功能上主要聯(lián)系刀具控制系統(tǒng)和材料支撐控制系統(tǒng)?？偪叵到y(tǒng)通過輸入“堆片寬度”實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具控制系統(tǒng)中刀具選擇；通過輸入“堆片形狀”和“堆片高度”實(shí)現(xiàn)對(duì)材料支撐控制系統(tǒng)的軌跡路線控制。其中刀具控制系統(tǒng)又通過對(duì)材料支撐控制系統(tǒng)輸入“刀具寬度”，來實(shí)現(xiàn)對(duì)軌跡道數(shù)和間距的控制。

在性能控制上，影響成型件性能的工藝參數(shù)主要包括行進(jìn)方向、行進(jìn)速度、間距、刀具轉(zhuǎn)速、進(jìn)料量、進(jìn)料角度和溫度等，而這些所有工藝參數(shù)與各系統(tǒng)均有聯(lián)系。因此，總體控制系統(tǒng)在接收到性能要求的輸入后，經(jīng)過總控系統(tǒng)的處理與分配，通過控制各系統(tǒng)不同的量來實(shí)現(xiàn)性能的控制。除了總控系統(tǒng)對(duì)不同系統(tǒng)的控制，還包括各系統(tǒng)之間的相互控制，比如溫度與刀具轉(zhuǎn)速之間存在一定關(guān)系；進(jìn)料量與角度應(yīng)和行進(jìn)速度與方向相匹配等。性能控制應(yīng)該是整個(gè)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜的一個(gè)功能。

2.3 各系統(tǒng)之間的控制關(guān)系

AFAM控制系統(tǒng)的各系統(tǒng)控制關(guān)系如下圖3所示，其中GCS（General Control System）為總體控制系統(tǒng)，M為刀具控制系統(tǒng)，S為材料支撐控制系統(tǒng)，F(xiàn)為進(jìn)料控制系統(tǒng)，T為溫度控制系統(tǒng)。其中各系統(tǒng)基本上是由控制模塊和控制對(duì)象構(gòu)成的，各傳感器則是相關(guān)參數(shù)的采集裝置。

如圖3所示，總體控制系統(tǒng)接受輸入的成型件的CAD三維模型，通過總體控制模塊對(duì)其進(jìn)行處理，其作用是成型控制與性能控制。經(jīng)過加工處理后，總體控制系統(tǒng)輸出堆片的幾何參數(shù)以及堆件的性能參數(shù)到數(shù)據(jù)總線，由總體控制系統(tǒng)輸出的參數(shù)信息經(jīng)數(shù)據(jù)總線分配給不同的控制系統(tǒng)，不同的控制系統(tǒng)接收到參數(shù)信息進(jìn)行處理，在不同的控制模塊作用下控制相應(yīng)的對(duì)象進(jìn)行摩擦增材，也就是進(jìn)行堆焊成型，同時(shí)也控制過程中的工藝參數(shù)。刀具控制系統(tǒng)和材料支撐控制系統(tǒng)接收到幾何參數(shù)信息之后，通過控制刀具運(yùn)動(dòng)和材料支撐系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)完成成型件的堆焊；進(jìn)料控制系統(tǒng)也根據(jù)輸入的信息，控制進(jìn)料量等參數(shù)來匹配成型過程實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化。在溫度控制系統(tǒng)中，主要的數(shù)據(jù)來源是溫度傳感器，分別測(cè)定刀具溫度、堆件溫度以及進(jìn)料溫度。測(cè)定的溫度經(jīng)過溫度控制模塊，如果過高就會(huì)控制冷卻裝置（冷卻液）來對(duì)其進(jìn)行降溫；如果溫度過低就會(huì)通過提高刀具轉(zhuǎn)速、壓力等措施來提高溫度，保證成型件的性能。其他傳感器測(cè)定的參數(shù)也是同樣的作用機(jī)理。整個(gè)系統(tǒng)通過傳感器傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能化控制技術(shù)，使各工藝參數(shù)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的配置，來實(shí)現(xiàn)成型件的性能的最優(yōu)化。

2.4 AFAM控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述的各系統(tǒng)控制關(guān)系，綜合分析整個(gè)系統(tǒng)，主要涉及到關(guān)鍵技術(shù)如下：

圖2 AFAM控制系統(tǒng)關(guān)系圖

圖3 AFAM控制系統(tǒng)各系統(tǒng)控制關(guān)系圖

（1）基于數(shù)據(jù)總線的集成控制技術(shù)：主要解決總體控制系統(tǒng)與各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信問題。

（2）智能控制技術(shù)：主要涉及溫度控制系統(tǒng)、刀具控制系統(tǒng)、材料支撐控制系統(tǒng)和進(jìn)料控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工藝參數(shù)的智能控制。

（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)：由于不同傳感器測(cè)得的工藝參數(shù)對(duì)性能有重要影響，故需要解決數(shù)據(jù)融合問題。

（4）多相位協(xié)同控制技術(shù)：由于性能控制涉及多個(gè)分系統(tǒng)，且某一個(gè)參數(shù)也會(huì)受到不同系統(tǒng)的約束，所以應(yīng)考慮協(xié)同控制問題。

（5）基于知識(shí)庫的溫度自適應(yīng)控制技術(shù)：溫度是一個(gè)重要影響因素，故可以構(gòu)建溫度的知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，使得性能參數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。根據(jù)需要也可以構(gòu)建其他工藝參數(shù)的知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)不同工藝參數(shù)的自適應(yīng)控制。

圖4 AFAM過程仿真的過程

圖7 層內(nèi)軌跡示意圖

3 AFAM加工過程仿真

3.1 AFAM仿真流程

為了落實(shí)“十三五”和《中國制造2025》，積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”，工信部于2016年底出臺(tái)了《軟件和信息技術(shù)服務(wù)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》，給出了“軟件定義制造”的概念。軟件定義制造是在制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)等均實(shí)現(xiàn)軟件化，提高計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真在生產(chǎn)制造中的作用，實(shí)現(xiàn)智能制造。在此背景下，本文針對(duì)AFAM技術(shù)的智能化，在提出控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)過程仿真開展研究。

本節(jié)主要在上述控制系統(tǒng)框架下，進(jìn)行AFAM加工過程的仿真設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)共分為總控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、支撐板系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)五個(gè)系統(tǒng)，但在仿真過程中根據(jù)所研究的問題不同可以適當(dāng)簡(jiǎn)化。本部分主要是針對(duì)主要工藝參數(shù)的優(yōu)化問題展開仿真，所以對(duì)其中的進(jìn)料系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。

過程仿真的目的是研究各工藝參數(shù)，包括刀具旋轉(zhuǎn)速度、壓力和前進(jìn)速度等在加工過程中對(duì)成型件的溫度、應(yīng)力等的影響，找出最優(yōu)化的工藝參數(shù)。

針對(duì)上述問題，在仿真過程中作如下的假設(shè)：

（1）進(jìn)料系統(tǒng)在進(jìn)料過程中是單位時(shí)間內(nèi)均可及時(shí)提供均勻的材料；

（2）對(duì)增材過程可分解為若干個(gè)極短的連續(xù)間隔時(shí)間內(nèi)一塊規(guī)則的材料增加；

（3）為了過程連續(xù)和計(jì)算簡(jiǎn)便，按照一般做法，將每次增加的材料簡(jiǎn)化為一個(gè)小方塊。

基于上述的假設(shè)，可以將整個(gè)過程簡(jiǎn)化為如圖4所示過程。首先是對(duì)CAD模型的結(jié)構(gòu)劃分，這是仿真分析的基礎(chǔ)。實(shí)際的3D打印過程也是將成型件的數(shù)字模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，便于后續(xù)過程控制。這一步驟可以利用有限元分析軟件進(jìn)行。第二步是對(duì)獲得的結(jié)構(gòu)劃分模型開展軌跡規(guī)劃，這一步利用結(jié)構(gòu)劃分模型中各單元的幾何中心作為控制點(diǎn)，采用一定的“掃描規(guī)則”規(guī)劃出刀具行走的路線。第三步是根據(jù)規(guī)劃的軌跡開始堆積，這是增材實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵一步。第四步是載荷加載，第五步是狀態(tài)分析。為了仿真方便，可以利用第一步劃分的網(wǎng)格單元作為堆積的單元模型，采用生死單元的技術(shù)，在一定的步長(zhǎng)時(shí)間（步長(zhǎng)時(shí)間=單元尺寸/行進(jìn)速度）內(nèi)完成載荷的加載和求解計(jì)算。在這過程中，應(yīng)該注意的重要一點(diǎn)是相鄰步長(zhǎng)間各邊界條件不同，需要實(shí)時(shí)的更新。最后一步是根據(jù)不同參數(shù)下的狀態(tài)分析，采用優(yōu)化智能算法找到最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度以及刀具壓力等工藝參數(shù)的搭配。

3.2 基于大型航空鋁合金構(gòu)件的AFAM仿真

安裝上述AFAM仿真過程，本文針對(duì)某大型航空鋁合金構(gòu)件展開了仿真研究，鋁合金構(gòu)件如圖5所示。

按照上述流程，本文已經(jīng)開展了兩部分的工作：

3.2.1 結(jié)構(gòu)劃分

本文利用有限元分析軟件ANSYS，將該鋁合金構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分。根據(jù)上述假設(shè)，將鋁合金構(gòu)件劃分成正六面體單元。由于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要用映射網(wǎng)格劃分方法，最終可獲得劃分網(wǎng)格后的模型，如圖6所示，共計(jì)單元9102個(gè)，幾點(diǎn)數(shù)量14197。

3.2.2 軌跡規(guī)劃

本文在鋁合金構(gòu)件劃分網(wǎng)格后，將各正六面體單元的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中，利用Matlab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力對(duì)各單元數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，規(guī)劃軌跡。

首先將ANSYS中各單元的幾何中心坐標(biāo)導(dǎo)入到Matlab中，作為各單元的控制點(diǎn)。本文采用“來回掃”的軌跡形式實(shí)現(xiàn)增材，軌跡示意如圖7所示。

軌跡規(guī)劃的算法如下：

（1）分層：將各單元的Z坐標(biāo)進(jìn)行歸類，同一Z坐標(biāo)在同一層，得到層單元集合；

（2）分行：對(duì)每層的不同單元的Y坐標(biāo)進(jìn)行歸類，由于各單元并不是嚴(yán)格的按直線排列，故取單元的邊長(zhǎng)為間隔，在間隔內(nèi)的為一行，得到相應(yīng)層的不同行集合，并對(duì)行號(hào)進(jìn)行標(biāo)記；

（3）排序：針對(duì)不同層的不同行，對(duì)各單元的X坐標(biāo)進(jìn)行排序，奇數(shù)行X坐標(biāo)從小到大排，偶數(shù)行按從大到小排，最終得到排好序的相應(yīng)層的不同行集合；

（4）軌跡整理：最后將各單元的編號(hào)組合成一個(gè)按章上述算法排列的一個(gè)數(shù)列，得到單元軌跡。

本文依照上述算法，利用Matlab實(shí)現(xiàn)了鋁合金構(gòu)件的軌跡規(guī)劃，得到了單元排序軌跡。后續(xù)，筆者將根據(jù)仿真流程，在這兩步工作的基礎(chǔ)上繼續(xù)開展AFAM仿真的研究，最終實(shí)現(xiàn)AFAM技術(shù)的可視化，并可以得到優(yōu)化參數(shù)。

4 結(jié)語

本文主要介紹了一種新的增材制造技術(shù)——先進(jìn)摩擦增材制造（AFAM），該技術(shù)具有性能優(yōu)異、效率高、經(jīng)濟(jì)、綠色等特點(diǎn)，是其它增材制造技術(shù)的創(chuàng)新和重要組成。由于AFAM的工藝及特點(diǎn)，在未來制造業(yè)升級(jí)改造中將占有相當(dāng)?shù)谋戎?，在通過與其他傳統(tǒng)的增材方式的比較，其價(jià)值更是潛力巨大。為了AFAM技術(shù)的工業(yè)化、信息化和智能化，本文提出了AFAM加工控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對(duì)其仿真建模提供了解決思路。這也是后期的重點(diǎn)工作，在“軟件定義制造”的指導(dǎo)下，推動(dòng)AFAM技術(shù)的發(fā)展。

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