周偉民，夏張文，馬劍雄，周 建，司君平，劉宏業(yè)，李小麗

(1.上海產(chǎn)業(yè)技術研究院智能制造部，上海 201206；2.上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心，上海 200237)

0 引言

再制造產(chǎn)業(yè)作為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之首，能夠實現(xiàn)廢舊產(chǎn)品修復和改造，是推動資源綜合利用和環(huán)境保護綠色發(fā)展的有效途徑之一。習近平總書記提出的“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，強調綠色發(fā)展的生態(tài)文明觀?！吨袊圃?025》從國家戰(zhàn)略層面，描繪了建設制造強國的宏偉藍圖。其中，重點提出全面推進綠色制造，推進資源高效循環(huán)利用，大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)。

目前，制造產(chǎn)業(yè)鏈對零部件的輕質化、復雜度、高性能等特性需求日益迫切，傳統(tǒng)的制造方式(如鑄造、切削、鍛造等)受到模具及加工工具的限制，已逐漸無法滿足再制造需求。而增材制造技術以其無模自由成形、個性化定制、數(shù)字化等優(yōu)點成為制造產(chǎn)業(yè)優(yōu)選技術之一，為再制造業(yè)產(chǎn)業(yè)提供了新思路，能夠實現(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境保護，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟效益[1-2]。再制造技術的重要特征是制造后的產(chǎn)品質量和性能能夠達到甚至超過新品，節(jié)省成本50%、節(jié)能60%、節(jié)材70%，并顯著降低對環(huán)境的不良影響。據(jù)統(tǒng)計，我國設備總資產(chǎn)達到了幾萬億。如果其中10%的報廢設備能夠通過修復再制造形成產(chǎn)品，就能創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。美國和歐洲等發(fā)達國家非常重視再制造產(chǎn)業(yè)，在技術方面形成了完整的體系，為國家可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟模式作出了突出貢獻。

增材再制造技術是基于金屬增材制造技術，實現(xiàn)零部件損傷部位的尺寸恢復和零部件性能恢復或提升，具有修復效率高、修復區(qū)結合強度大、材料利用率高等優(yōu)點。

增材制造技術作為一種顛覆性新技術，已被廣泛應用在航空航天、醫(yī)學、模具、藝術設計和創(chuàng)新教育等領域，成為推動創(chuàng)新的重要推手，是促進產(chǎn)業(yè)升級和自主創(chuàng)新的新推力。美國ASTM F42增材制造技術委員會在《增材制造技術標準術語》(ASTM F2792-12a)中所定義的增材制造技術，包括光固化成形、材料噴射、黏結劑噴射、材料擠出、粉末床熔合、片層壓和定向能量沉積[4]。從成形的能量源來看，以激光為成形能量源的技術占主導。增材再制造技術是利用高能束(激光、電子束、電弧)，將原料(粉末或絲材)溶化后形成物理冶金結合的一種技術。該技術在大中型高性能結構零部件的制造以及修復再制造領域中有著極高的應用價值。

本文針對金屬增材再制造的產(chǎn)業(yè)需求，闡述其技術種類、特點和產(chǎn)業(yè)應用，并提出建議與對策。

1 金屬增材再制造的工藝

針對增材再制造的屬性，根據(jù)再制造所用材料狀態(tài)，可以分為粉末(送粉)和絲材(送絲)增材再制造；根據(jù)再制造所采用的能量源，可以分為激光增材再制造、電弧增材再制造和電子束增材再制造。

1.1 按增材再制造原材料分類

送粉式增材再制造技術具有能夠制造大結構零部件、成形效率高、零件致密、力學性能優(yōu)異等優(yōu)點，但是也存在對原材料粉末要求高、原材料利用率低(20%～30%)、粉末易造成污染等缺點。其代表性技術，如激光近凈成形(laser engineered net shaping，LENS)現(xiàn)在已基本發(fā)展成熟，在發(fā)動機艙推力拉梁、翼梁、帶筋壁板等大型承力結構件成形上已有應用。采用該技術制造的零部件表現(xiàn)出了極為優(yōu)異的力學性能。

送絲式增材再制造與送粉式增材再制造技術十分相似，只不過是將粉末材料換成了金屬絲材。但是相比送粉式增材制造，除了具有成形零件大、成形效率高、零件致密均勻、力學性能優(yōu)異等共同優(yōu)點外，送絲式增材制造還具有材料極易獲得且成本遠低于粉末的特點。在制造過程中，材料利用率接近100%，更加符合當前的環(huán)保理念和未來制造技術的發(fā)展方向。

1.2 按成形能量源分類

電弧增材制造技術(wire arc additive manufacture,WAAM)是一種以電弧為熱源，采用逐層打印的方式將絲材逐層沉積制造金屬實體構件的技術[5-7]。該技術主要是基于非熔化極氣體 (tungsten inert gas,TIG)保護焊、等離子弧焊 (plasma arc welding,PAW)、熔化極惰性/活性氣體 ( metal inert gas/ metal active gas,MIG/MAG)保護焊、冷金屬過渡 (cold metal transfer，CMT) 等焊接技術發(fā)展而來的。電弧增材制造無需真空環(huán)境，就可以打印出大規(guī)格結構件，具有成本低、設備簡單、效率高等優(yōu)點。所打印的構件化學成分均勻、致密度高，成形速率可達幾kg/h；但是電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質量較低，一般需要表面二次機加工[6]。歐洲空中客車、歐洲導彈生產(chǎn)商、法國航天企業(yè)Astrium、英國克萊菲爾德大學、德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、華中科技大學、上海交通大學、西北工業(yè)大學、西安鉑力特增材技術股份有限公司、青島卓思三維智造技術有限公司等對該技術開展了系統(tǒng)的研究。

電弧增材制造原理如圖1所示。

圖1 電弧增材制造原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram of WAAM principle

激光增材制造是一種以激光為熱源，采用逐層打印的方式，將粉材/絲材逐層沉積制造金屬實體構件的技術。金屬對激光存在能量反射，對于部分高激光反射材料(如鋁合金、銅合金等)成形性不佳，但是對于其他材料的成形具有優(yōu)勢。由于激光能量十分集中、熱影響區(qū)小，大大減少了零件再制造時的開裂現(xiàn)象。按照其成形原理分，具有代表性的是以粉床鋪粉為技術特征的激光選區(qū)熔化 (selective laser melting,SLM)技術、以送粉/送絲為技術特征的激光金屬直接成形 (laser metal direct forming,LMDF) 技術[8-9]。送粉和送絲增材制造原理如圖2所示。

圖2 送粉和送絲增材制造原理圖 Fig.2 Schematic diagram of powder feeding and wire feeding additive manufacturing principle

由于不受打印零件結構限制，該技術可用于結構復雜、難以加工以及薄壁零件的加工制造。美國Sandai國家試驗室、密西根大學、德國弗勞恩霍夫激光技術研究所、西北工業(yè)大學、西安交通大學等開展了該領域研究工作。

電子束增材制造是以電子束為熱源，采用逐層打印的方式，將粉材/絲材逐層沉積制造金屬實體構件的技術。

由于電子束能量集中，金屬材料對電子束不存在能量反射問題，其成形質量和精度都相對較高。由于需要較高真空度的真空環(huán)境，對零件成形有所限制，導致設備的成本昂貴。電子束熔絲沉積成形技術適用于大型結構的快速成形，電子束選區(qū)熔化技術適合小型復雜結構的精密制造[10-12]。美國Sciaky公司推出了基于電子束熔絲的3D打印裝備，目前已具備了加工大、中、小不同尺寸零件的能力。西安智熔金屬打印系統(tǒng)有限公司也推出了電子束熔絲增材制造裝備，并已實現(xiàn)了零件的成形。

電子束增材制造原理如圖3所示。

圖3 電子束增材制造原理圖 Fig.3 Schematic diagram of electron beam additive manufacturing principle

2 增材再制造技術的產(chǎn)業(yè)應用

增材再制造是“自下而上”的加工技術，突破了傳統(tǒng)制造技術對復雜形狀的限制，是生產(chǎn)加工觀念的革命性變革。目前，該技術已經(jīng)應用于鋼鐵冶金、船舶、航空航天、電力、交通等行業(yè)，顯示出巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.1 鋼鐵行業(yè)

由于在高溫、高應力等惡劣環(huán)境下，軸、軋輥等表面常常出現(xiàn)腐蝕和磨損現(xiàn)象。通過激光表面再制造，可實現(xiàn)工件表面性能修復，降低了更換成本。激光再制造技術在寶鋼、鞍鋼等大型鋼鐵企業(yè)已得到了大量的應用，成為鋼鐵行業(yè)核心備件修復再利用的新發(fā)展方向[13]。

激光修復軋輥如圖4所示。

圖4 激光修復軋輥示意圖 Fig.4 Laser repair roll

2.2 船舶行業(yè)

船舶長期工作在海洋環(huán)境下，零部件極易出現(xiàn)部件腐蝕現(xiàn)象。其可通過激光再制造技術得到有效恢復。經(jīng)過修復制造后的零部件，可以達到或高出全新零部件的質量。利用再制造技術進行修復的典型產(chǎn)品有艉軸、軸套、曲軸、聯(lián)軸器內孔和增壓轉子等。唐等[14]研究了船舶和艦艇上使用的轉舵叉的激光制造修復。經(jīng)機械加工和著色探傷，修復后的轉舵叉符合使用要求。

2.3 航空航天行業(yè)

在航空航天領域，對零部件的修復再制造也正在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟價值。以發(fā)動機的維修市場為例，2018年，全球發(fā)動機維修支出占總維修支出的29%，而中國的維修市場將占據(jù)全球總量的11%。預計未來10年，全球商用航空售后服務市場還將持續(xù)增長，增幅將超過30%[15 ]。在此期間，發(fā)動機維修市場預計增長將達50%，總金額達371億美元。Rolls-Royce、GE等公司采用該技術用于渦輪葉片的修復，給公司帶來巨大的經(jīng)濟效益。美國普渡大學的Wilson科研團隊，針對航空發(fā)動機的葉片進行了相關的修復研究工作。他們通過CAD構建了葉片的數(shù)學模型，并采用激光送粉增材技術對破損的葉片進行修復再制造，尺寸精度和力學性能都達到了要求[16]。

2.4 電力行業(yè)

汽輪機是發(fā)電廠的核心設備。由于特殊情況，軸類零部件的磨損不可避免，電廠或電站必須每隔4～6個月對汽輪機進行檢查或修復；同時，汽輪機造價高昂(達100～200萬元)，制造周期長(1～2個月)。對這些軸類零件進行修復再制造，不僅對安全生產(chǎn)具有重要意義，而且可以節(jié)省消耗和時間成本，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟效益。李允東等[17]對汽輪機轉子軸頸的再制造基礎工藝問題進行了系統(tǒng)研究，在工藝優(yōu)化的基礎上，選取與轉子匹配的 S1M 合金粉末，成功地實現(xiàn)了磨損的28CrMoNiV 汽輪機轉子再制造試驗。試驗結果表明，轉子再制造層平均表面硬度為687 HL，高于基體557 HL，轉子再制造層外圓的最高綜合跳動為6.25 μm，符合使用標準。有學者針對發(fā)電廠中的渦輪機和曲軸等零件，采用多道次激光制造修復技術。通過對比基材和熔覆層的微觀組織和力學性能，發(fā)現(xiàn)獲得的熔覆層拉伸強度、塑性和韌性都優(yōu)于基材，達到了良好的修復效果[18]。

葉片損傷已修復區(qū)域實物圖[19]如圖5所示。

圖5 葉片損傷已修復區(qū)域實物圖 Fig.5 Physical picture of the repaired area of blade damage

2.5 軌道交通行業(yè)

在鐵路行業(yè)中，鐵軌的維護和更新費用占據(jù)了大量的成本比例。這一方面是由于軌道維護時無法使用所產(chǎn)生的損失費用；另一方面，如采用傳統(tǒng)工藝，即使軌道僅有一小部分的破損也要整根替換，在一定程度上造成材料的巨大浪費。國外學者采用激光送粉增材制造技術對鋼軌進行了修復研究，并對其耐磨性和蠕變性能進行了分析和測試。研究結果表明，在1 500 MPa的載荷下，修復后的熔覆層高于耐磨性標準鋼軌，并且裂紋萌生的周期更長[20]。

2.6 模具行業(yè)

模具制造工藝復雜、生產(chǎn)周期長、加工成本高。因此，對失效模具的修復再利用，可以大大縮短生產(chǎn)線維護的時間，從而節(jié)約資金，提高效益。從當前的研究來看，激光和電子束技術都被成功地應用于模具修復。有學者采用激光送絲修復Cr12MoV模具，研究激光功率、送絲速度、掃描速度和表面粗糙度對熔覆層形貌的影響，試驗證明激光送絲再制造可以達到模具表面缺陷修復的要求[21]。近年來，采用SLM技術在模具基臺上嫁接型模，實現(xiàn)了隨形冷卻的效果，提升生產(chǎn)效率和注塑模具的表面質量，越來越受到廣泛重視。采用SLM技術，實現(xiàn)了在基臺上增材再制造隨形冷卻模具，后經(jīng)切削等后處理工藝成為所需要的模具。此模具用在企業(yè)實際生產(chǎn)中，發(fā)揮了重要的經(jīng)濟效益。

激光再制造的模具嫁接如圖6所示。

圖6 激光再制造的模具嫁接示意圖 Fig.6 Laser remanufactured mold grafting drawing

3 發(fā)展與展望

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。發(fā)展再制造工程，符合黨中央提出的五大發(fā)展理念。金屬增材再制造技術可以提高制造業(yè)資源利用，提升制造業(yè)轉型與升級，促進資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和生態(tài)文明型社會建設。

我國政府高度重視3D打印技術的發(fā)展，《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃》(2017-2020年)、《中國制造2025》等規(guī)劃有力地促進了增材再制造相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并取得了非常突出的成績。我國在激光增材再制造領域的基礎理論、關鍵工藝技術、關鍵軟件設計以及高端裝備等方面，仍然與國外存在差距。但是隨著金屬增材再制造的研究深入和推動，該技術必將獲得快速發(fā)展，未來應用領域更加廣泛。此外，在一些環(huán)節(jié)上還必須加以優(yōu)化，實現(xiàn)再制造技術對關鍵產(chǎn)業(yè)的賦能作用。

3.1 增材再制造共性技術

在關鍵基礎材料方面，金屬材料(特別是高端金屬粉末或絲材)成分設計與制備，由于中美貿易戰(zhàn)，導致國外的制粉設備出口限制，成為制備高品質粉末的“卡脖子”問題。

在核心零部件方面，大功率高質量的激光器、掃描振鏡、高品質電子槍及高速掃描系統(tǒng)主要靠進口。

在工藝研究方面，對增材再制造的工藝研究不足。在制造過程中，控形和控性對最終產(chǎn)品質量有著重要的影響。在激光(電子束)作用下，所加工的材料涉及物理、化學以及物理冶金等復雜的過程。增材再制造全產(chǎn)業(yè)鏈條涉及再制造前處理技術、再制造修復技術和再制造后處理技術，其核心是再制造修復技術。制造過程中，熔池動態(tài)監(jiān)控和反饋智能化是提高制造質量的關鍵核心技術。

3.2 修復再制造裝備發(fā)展方向

修復再制造裝備向多功能、智能化、移動式方向發(fā)展。為了實現(xiàn)修復制造部件的特定性能，必須對修復制造后的材料進行控形和控性。多種加工場(激光、電子束、電弧等與熱、磁場等復合)綜合利用，如增減材一體化、鍛造增材一體化、納米金屬制造技術等，可以提高材料的內部/表面組織性能和力學性能。通過人工智能技術，對加工進行實時反饋，智能識別診斷和決策，達到柔性化制造，實現(xiàn)再制造質量和精度控制。移動式再制造裝備也是未來發(fā)展方向。其可以快速移動到修復現(xiàn)場，實現(xiàn)在線修復。

3.3 行業(yè)標準存在差距

標準是產(chǎn)品質量的基礎，金屬增材再制造所涉及的原材料、零部件，從制造、產(chǎn)品質量檢測、銷售和維護服務等全生命周期都相對缺失，制約了金屬增材再制造的產(chǎn)業(yè)化應用。金屬增材再制造工藝與性能數(shù)據(jù)庫還存在短板，建立再制造數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，可以推動增材修復再制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展應用。

針對再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，需從以下幾個方面加強該領域的發(fā)展。

①加強頂層設計。

針對國家和地方的發(fā)展規(guī)劃，有計劃地將增材再制造技術納入產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，解決產(chǎn)業(yè)共性技術缺失問題，并通過金融財稅政策支持，圍繞產(chǎn)業(yè)結構優(yōu)化升級，打通技術鏈、供應鏈和價值鏈，以軍民融合發(fā)展的產(chǎn)業(yè)體系，全面推動再制造工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

②建立人才教育培訓體系。

圍繞增材再制造產(chǎn)業(yè)體系，依托行業(yè)協(xié)會、學會、大學研究所，培養(yǎng)和造就該領域的專業(yè)人才。

③建立“政產(chǎn)學研用”協(xié)調創(chuàng)新體系。

在金屬增材再制造領域，建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，圍繞材料、裝備、工藝、應用、標準等體系，加快對產(chǎn)業(yè)共性技術的研發(fā)和制定，培養(yǎng)創(chuàng)新團隊，形成可持續(xù)發(fā)展能力。創(chuàng)新中心匯集企業(yè)、高校、研究所，解決增材再制造共性技術和公共服務體系，以此培育具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)集群，推動區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

4 結論

增材再制造技術作為制造業(yè)的一種補充技術，是具有潛力的前沿性技術，拓寬了制造業(yè)新方向。隨著增材再制造工藝技術、裝備技術的突破以及行業(yè)標準的建立，其終將在礦山機械、鋼鐵冶金、船舶、航空航天、電力、交通等行業(yè)大范圍地應用，必將有力地促進工業(yè)朝著綠色化、低耗化、生態(tài)化的發(fā)展，推動再制造技術與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展和制造業(yè)的轉型升級，涌現(xiàn)出高能級的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟跨越式發(fā)展。