計算機集成激光三維增材成形制造平臺

顏永年，荊 紅，張定軍，陳振東

（江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司，江蘇昆山215300）

計算機集成激光三維增材成形制造平臺

顏永年，荊 紅，張定軍，陳振東

（江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司，江蘇昆山215300）

將激光熔覆沉積（LCD）和選擇性激光熔化/燒結(jié)（SLM/S）兩類最重要的金屬增材成形技術(shù)中的CAD模型、分層與路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)和激光使能系統(tǒng)等相關(guān)信息和異構(gòu)數(shù)據(jù)，通過采用CIMS的技術(shù)原理和系統(tǒng)集成方法，構(gòu)建了L-SS（LCD-SLM/S）激光增材成形平臺，實現(xiàn)了在計算機管控下，將信息數(shù)據(jù)資源與多臺3D打印設(shè)備、激光器的優(yōu)化配置，大大提高了信息共享度、資源利用率和節(jié)能效率。

激光熔覆沉積；選擇性激光熔化成形；選擇性激光燒結(jié)成形；計算機集成制造系統(tǒng)；3D打印

近年來，3D打印技術(shù)作為一種新興的成形技術(shù)得到了長足的發(fā)展，出現(xiàn)了許多種成形工藝。特別是2013年2月，美國總統(tǒng)奧巴馬在他的演講中多次提到3D打印技術(shù)，稱其將加速美國經(jīng)濟的增長，更加促使3D打印技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛的重視。

在激光三維增材成形技術(shù)領(lǐng)域中最重要的、用途最廣的3種技術(shù)是激光熔覆沉積成形（LCD，laser cladding deposition）、選擇性激光熔化成形 （SLM, selective laser melting及選擇性激光燒結(jié)成形（SLS, selective laser sintering）[1]。

目前這些成形工藝都已經(jīng)得到了一定的發(fā)展，但由于成形工藝的不同，它們都擁有各自獨立的3D打印成形設(shè)備，即每臺設(shè)備都擁有獨立的控制系統(tǒng)、激光器、冷卻系統(tǒng)、運動平臺、惰性氣氛環(huán)境等。這些并不符合現(xiàn)代集成制造的理念，也造成了許多資源的浪費。綜合考慮這些成形工藝的現(xiàn)有產(chǎn)品，不難發(fā)現(xiàn)這些產(chǎn)品都必需有產(chǎn)品CAD模型，具有相似的分層和路徑規(guī)劃及相似的工藝參數(shù)設(shè)置。如果采用CIMS的技術(shù)原理和系統(tǒng)集成方法[2]，將這些相關(guān)信息和異構(gòu)數(shù)據(jù)及激光使能系統(tǒng)進行集成，統(tǒng)一在計算機管控下，實現(xiàn)這些信息數(shù)據(jù)資源與多臺3D打印設(shè)備、激光器的優(yōu)化配置，就能大大提高信

息共享度、資源利用率和節(jié)能效率[3]。

這樣的平臺同時擁有LCD和SLM/SLS的功能，即涵蓋了3D激光成形制造的絕大部分功能；同時實現(xiàn)了一些貴重、昂貴的設(shè)備子系統(tǒng)的共用（如激光器系統(tǒng)），可提高激光金屬三維增材成形設(shè)備的性價比，提高生產(chǎn)效率，減少設(shè)備和工程投資。

1 3種激光三維增材成形技術(shù)簡介[4]

1.1 激光熔覆沉積成形（LCD）

LCD技術(shù)，即激光工程凈成形（LENS，laser engineering net shaping）技術(shù)。該技術(shù)在1999年被評為世界最有活力的25項高新技術(shù)之一。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，LCD已發(fā)展成為可以成形重型、大型、各種合金材料、結(jié)構(gòu)件的激光熔覆成形技術(shù)，并已得到了廣泛的應用。

LCD最重要的優(yōu)點在于它是無偏析 （segregation-free）和高柔性（high flexible）的金屬成形技術(shù)。LCD技術(shù)根據(jù)金屬粉末供給方式的不同，可分為同軸送粉和偏軸送粉。

LCD技術(shù)有不同的方法可以將金屬熔滴沉積在需要的界面上。采用二維聯(lián)動運動模式可以將金屬熔滴沉積在平面上；采用五軸聯(lián)動可以將金屬熔滴沉積在空間曲面上。

由于采用LCD技術(shù)可以將金屬熔滴沉積在任意界面，因此LCD技術(shù)具有廣泛的應用：磨損零件之表面——受損零件的修復；支撐結(jié)構(gòu)的表面——金屬結(jié)構(gòu)件的直接制造；異種金屬之表面——材料梯度結(jié)構(gòu)成形制造等。

LCD可完成大尺寸、大重量、高性能、高可靠性的金屬結(jié)構(gòu)件，受到了航空等高端制造界的青睞。

1.2 選擇性激光熔化成形（SLM）

SLM工藝就是使激光根據(jù)掃描路徑對當前層粉末（已鋪在粉床上并被壓實的粉末）聚焦，完全熔化被聚焦的粉末及已成形的金屬實體的表層，使其熔為一體而成形。

在三維打印家族中，SLM在成形件的復雜程度方面名列第一，可完成嵌套性、蜂窩性和三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)的成形。

1.3 選擇性激光燒結(jié)成形（SLS）

SLS工藝是通過控制激光并根據(jù)掃描路徑對當前層粉末（已鋪在粉床上并被壓實的粉末）聚焦，僅熔化被聚焦的粉末和已成形金屬實體的表層，使其互相連接成一體而成形。SLS與SLM具有相同的成形機理，僅激光功率大小不同。采用SLS與SLM一樣，可完成復雜的、其他工藝難以完成的嵌套性、蜂窩性、三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)。

2 基于CIMS原理的大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺（L-SS平臺）[5]

2.1 CIMS定義

CIMS（computer integrated manufacturing system）即計算機集成制造系統(tǒng)，是用信息技術(shù)（包括計算機技術(shù)、自動化技術(shù)、通訊技術(shù)）和現(xiàn)代管理技術(shù)、加工制造技術(shù)來改造傳統(tǒng)制造業(yè)、支持新興制造業(yè)、提高企業(yè)市場競爭能力的一種高技術(shù)。

2.2 L-SS平臺簡介

LCD和SLM/S是兩類最重要的金屬增材成形技術(shù)。將這兩類工藝中的CAD模型、分層與路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)和激光使能系統(tǒng)等相關(guān)信息和異構(gòu)數(shù)據(jù)等資源集成在一起，基于CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）的理念、管理模式及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，構(gòu)建L-SS （LCD-SLM/SLS）激光增材成形平臺，實現(xiàn)了在一個主控計算機管理和控制系統(tǒng)的管控下，采用多臺激光器系統(tǒng)而形成的激光網(wǎng)絡(luò)（包括激光器件、冷水機、電源、控制器）、真空系統(tǒng)、惰性氣體等輔助系統(tǒng)，通過光纖和光閘實現(xiàn)“全功率分時”、“分功率同時”和 “分功率分時”，傳輸給各LCD的熔覆頭和SLM/S的振鏡系統(tǒng)等終端設(shè)備，完成LCD、SLM和SLS的工藝。

在L-SS平臺上，LCD可完成大尺寸、大重量、高性能、高可靠性的金屬結(jié)構(gòu)件；SLM/S可完成復雜的、其他工藝難以完成的嵌套性、蜂窩性、三維曲線腔管性結(jié)構(gòu)。集成LCD、SLM、SLS形成統(tǒng)一的L-SS平臺，將信息數(shù)據(jù)資源與多臺3D打印設(shè)備、激光器進行優(yōu)化配置，這屬于國際首創(chuàng)，可大大提高信息共享度、資源利用率和節(jié)能效率。

我國第1個L-SS平臺是由江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司設(shè)計建造的4000 W的L-SS平臺，即4000W L-SS-1型平臺（圖1），坐落于江蘇昆山，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。圖3是4000W L-SS-2型平臺。

圖1 江蘇昆山的4000 W L-SS平臺

我國第2個L-SS平臺位于四川綿陽，為10000W 的L-SS平臺（圖4）。

過程。

圖2 4000 W L-SS-1型平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 4000 W L-SS-2型平臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 四川綿陽的10 000 W L-SS平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 L-SS平臺組成

大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺（L-SS平臺）由“計算機集成管理-控制系統(tǒng)”、“成形-修復子平臺”和“部件”組成。

2.4.1 計算機集成管理-控制系統(tǒng)

計算機集成管理-控制系統(tǒng)集成了CAD模型、分層與路徑規(guī)劃、工藝參數(shù)和激光使能系統(tǒng)等相關(guān)信息和異構(gòu)數(shù)據(jù)；通過光纖和光閘實現(xiàn)了主控計算機管理與控制下激光器系統(tǒng)的“全功率分時”和“分功率同時”運行；利用激光網(wǎng)絡(luò)的光路選擇與控制技術(shù)，解決了激光器至各LCD熔覆頭和SLM/S振鏡系統(tǒng)等終端設(shè)備的激光傳輸問題；利用現(xiàn)場總線技術(shù)和多線程通訊技術(shù)，解決了軟件平臺與設(shè)備終端的鏈接及通訊問題；實現(xiàn)了整個運行過程的可視化，使用戶可通過觀測歷史數(shù)據(jù)曲線分析設(shè)備運行狀態(tài)，通過CDD監(jiān)控設(shè)備運行情況，通過設(shè)備狀態(tài)信息獲取加工剩余時間。

計算機集成管理與控制的軟件系統(tǒng)包括：激光控制系統(tǒng)；LCD、SLM、SLS設(shè)備終端控制系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；監(jiān)視和報警系統(tǒng)等（圖5）。

圖5 計算機集成管理-控制系統(tǒng)框圖

2.3 L-SS平臺的主要結(jié)構(gòu)和功能

（1）此系統(tǒng)采用先進激光器作為光源，采用光纖傳導和光學透鏡系統(tǒng)兩種外光路傳導系統(tǒng)，管路送粉系統(tǒng)和鋪粉系統(tǒng)為激光融覆-燒覆-燒結(jié)過程提供金屬粉末。

（2）執(zhí)行融覆工藝時，在密封的惰性氣氛加工室內(nèi)安裝有三軸數(shù)控機床，激光熔覆噴頭安裝在Z向移動軸上，熔覆金屬而成形。

（3）執(zhí)行燒覆和燒結(jié)工藝時，激光掃描系統(tǒng)將激光聚焦在粉床的粉面上，熔覆或燒結(jié)金屬而成形。

（4）通過充入氬氣排除密封加工室內(nèi)的空氣，利用凈化系統(tǒng)去除惰性氣氛加工室內(nèi)的氧和水，使整個激光融覆-燒覆-燒結(jié)過程處于惰性氣氛工作環(huán)境，減少氧化，保證質(zhì)量。

（5）通過CCD云臺攝像監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)視觀察加工

L-SS集成平臺軟件控制系統(tǒng)一期系統(tǒng)可完成以下功能：①對激光網(wǎng)絡(luò)進行光路選擇與控制；②對終端進行開閉控制；③實現(xiàn)對終端及PFO數(shù)據(jù)的采集與存儲；④ 將設(shè)備運行狀態(tài)可視化，能進行數(shù)據(jù)的分析和預估工作；⑤ 對設(shè)備進行監(jiān)控和報警；⑥根據(jù)使用者權(quán)限確定系統(tǒng)開放的功能；⑦能實現(xiàn)對設(shè)備的半自動化管理。

L-SS集成平臺軟件控制系統(tǒng)的一期功能設(shè)計見表1。其功能結(jié)構(gòu)見圖6。

L-SS平臺的數(shù)據(jù)庫包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫（含模型庫和工藝庫等）、材料數(shù)據(jù)庫（含金屬材料庫和非金屬材料庫）、設(shè)備數(shù)據(jù)庫及典型案例庫。

2.4.2 成形-修復子平臺

成形-修復子平臺包括軸桿類子平臺、盤類子平臺、LCD子平臺、SLM子平臺、SLS子平臺等。另

表1 L-SS集成平臺軟件控制系統(tǒng)的一期功能設(shè)計

圖6 L-SS集成控制系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖

外，LCD和SLM子平臺共用一個惰性氣氛成形室及相應的支持子系統(tǒng)。

2.4.3 部件

部件包括激光器部件、熔覆-機器人部件及氣體凈化（真空系統(tǒng)）部件。

3 L-SS平臺設(shè)計參數(shù)

本平臺可達到的技術(shù)指標見表2和表3。

表2 LCD工藝技術(shù)指標

表3 SLM/SLS工藝技術(shù)指標

4 L-SS平臺的應用

L-SS平臺集成了3種激光三維增材成形工藝，因此具有廣泛的應用前景。

4.1 LCD技術(shù)的應用領(lǐng)域

LCD技術(shù)具有以下特點：

（1）本平臺中的LCD工藝將制造功能與修復功能統(tǒng)一起來，即通過金屬微滴在支撐結(jié)構(gòu)或磨損的零件上沉積組裝，而完成成形制造和修復制造。

（2）本平臺各工藝均為高度節(jié)材、節(jié)能的技術(shù)，可將材料利用率從鍛造工藝的10%～20%提高到80%～95%。

（3）本平臺可完成梯度材料結(jié)構(gòu)，這是現(xiàn)代高端結(jié)構(gòu)的新發(fā)展。根據(jù)結(jié)構(gòu)件的硬度、韌性、強度、沖擊韌性，由表及里，深按度之不同，合理配置材料，利用本平臺逐層熔覆組裝為一體，這是傳統(tǒng)工藝無法完成的。

（4）本平臺用于任何難熔、難變形金屬，特別是高溫合金、鎢、高強鋼等材料的預成形和終成形及修復。

（5）本平臺可完成完全無偏析、等軸、細小、均勻晶粒的高端結(jié)構(gòu)件的直接制造。

LCD技術(shù)廣泛適用于以下領(lǐng)域：

（1）各種軸、軋輥、盤、汽輪機葉片等零件的修復，也可用于汽車缸體鑄件的修復（圖7～圖10）。

圖7 軸類的修復

圖8 擠壓模的修復

圖9 曲軸鍛模的模修復

圖10 盤類件的表面熔覆--修復

（2）用于模具“材料梯度結(jié)構(gòu)”制造。即通過LCD噴頭對模具的不同部位熔覆沉積不同的材料：表層為模具鋼、不銹鋼；底層為導熱系數(shù)優(yōu)良的銅合金；其間為緩沖層，完成先進的具有“材料梯度結(jié)構(gòu)”的注塑模（圖11、圖12）。通過此方法，模具壽命大幅提高，且能提高生產(chǎn)效率35%～50%。

圖11 材料梯度結(jié)構(gòu)顯微圖

（3）用于表面強化及合金化處理。對于各種在使用過程中出現(xiàn)裂紋、劃傷、磨損、崩塌等現(xiàn)象的模具進行激光熔覆修復，可較大地提高其抗磨損性能和損傷閾值，硬度比淬火前提高約2.5倍 （并得到0.2～0.4 mm的淬火層深），從而使工件的耐磨性能提高3～5倍。

圖12 注塑模

（4）對各種重型、大型汽車覆蓋件的拉深、翻邊、修邊、沖裁等模具進行表面硬化及耐磨化，使刃口強韌化；對重型、大型汽車模鍛和熱擠壓模具進行紅硬化處理，從而大大提高其工作壽命。

（5）應用于航空航天領(lǐng)域，大量鈦合金高端結(jié)構(gòu)件可一次成形（圖13～圖15）。

圖13 C919飛機翼肋

圖14 航天飛行器舵

圖15 渦輪盤

4.2 SLM技術(shù)的應用領(lǐng)域

（1）隨形冷卻流道

隨形冷卻流道 （CCC，conformal cooling channels）是現(xiàn)代高端模具制造技術(shù)之一。它以合理的距離沿著型腔（空間三維曲線）分布，曲線型流道可方便地繞開塑料制件頂出系統(tǒng)，不會發(fā)生幾何干涉，良好地實現(xiàn)了模具插件和型腔溫度優(yōu)化分布。

本平臺制造隨形冷卻流道模塊，其流道部分一次最終成形；其型腔部分則初步成形（需進一步精密加工）。流道截面形狀可以是長方形、方形等任意形狀；流道內(nèi)表面可以制造成微柵格形狀，以提高換熱系數(shù)，這些都是傳統(tǒng)加工方法無法完成的。

某電視的底座支架注塑模有動模小鑲件和滑塊鑲件，其設(shè)計特點見圖16～圖21。

圖16 動模小鑲件和滑塊鑲件

圖17 動模小鑲件和滑塊鑲件的設(shè)計特點

圖18 動模小鑲件和滑塊鑲件的冷卻水路

圖19 動模小鑲件原始水路與優(yōu)化后的隨形水路對比圖

圖20 滑塊鑲件原始水路與優(yōu)化后的隨形水路對比圖

圖21 模具鑲件3D打印（SLM）設(shè)計圖

通過對直通水路的改進設(shè)計，采用隨形水路進行冷卻，使隨形水路模具的冷卻周期大大縮短。其對比情況見表4。

表4 直通水路模具與隨形水路模具冷卻周期的對比

（2）大型模具的修復，特別是汽車模具表面強化和修復

汽車覆蓋件（如駕駛室、引擎蓋）等沖壓成形模具一旦工作部分磨損（盡管整體完好），必須更換新的模具，否則，沖壓件質(zhì)量會下降而導致無法裝配，從而造成模具的具大浪費，耗損巨大。

由于覆蓋件成形模尺寸較大，進行熱處理較困難。很多企業(yè)往往不進行熱處理或僅采用火焰法進行處理，更增加了模具的磨損。SLM工藝可用于對汽車拉深、翻邊、修邊、沖裁、冷擠壓、熱模鍛模的表面熔覆、修復。

4.3 SLS技術(shù)的應用領(lǐng)域

（1）近年來，無人機的迅猛發(fā)展對機載復雜零部件的重量和強度等要求越來越高，這些復雜的零

部件通常要求重量輕，且采用一體化成形（圖22）。SLS技術(shù)多用于輕量化與一體化結(jié)構(gòu)的成形 （圖23）。

圖22 無人機載復雜的零部件

圖23 輕量化與一體化結(jié)構(gòu)

（2）鈦合金是生物相容性極好的合金，其蜂窩結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)大量用于醫(yī)療器械領(lǐng)域，如支架置入體、蜂窩置入體、修復損傷骨組織、疏松骨組織、組織工程支架等。本平臺的SLS工藝具有優(yōu)良的各類鈦合金成形和修復能力 （圖24～圖26）。

5 總結(jié)

圖24 鈦合金胯關(guān)節(jié)

圖25 鈦合金蜂窩顱骨支架

圖26 鈦合金蜂窩置入體

結(jié)合工程應用的實際需求，基于CIMS原理的大功率金屬激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺（LSS平臺）集成LCD、SLM、SLS等3種工藝于一個統(tǒng)一的平臺。將CIMS的集成制造理念、系統(tǒng)集成、信息技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，把激光網(wǎng)絡(luò)和多臺LCD、SLM、SLS構(gòu)成的3D打印設(shè)備終端，通過主控計算機的集成管理與控制，創(chuàng)建計算機集成大功率激光熔覆-熔化-燒結(jié)成形制造平臺，填補了重型高端激光3D打印系統(tǒng)的國內(nèi)空白。

L-SS平臺采用CIMS的理念、管理模式、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將激光網(wǎng)絡(luò)與3D打印終端設(shè)備相集成，具有集成化、數(shù)字化、智能化、敏捷化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色化的特點。不僅大大提高信息共享度、資源利用率和節(jié)能效率，也使L-SS平臺具有廣泛的應用范圍。

[1] 顏永年，張偉，盧清萍，等.基于離散/堆積成型概念的RPM原理和發(fā)展[J].中國機械工程，1994，5（4）：64-66. [2] Yan Yongnian，Du Zhaohui，Wang Jianguo.Rapid prototyping and manufacturing(RP&M)technology and its integration with CIMS[C]//Proceedings of the sixth Chinese-Polish Conference Computer Aided Design in Machinery. Warsaw，Poland，1996.

[3] 范玉順，吳澄，石偉.CIMS應用集成平臺技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].計算機集成制造系統(tǒng)，1997（5）：3-8.

[4] 顏永年，單忠德.快速成形與鑄造技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5] 吳澄.現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)——一類復雜性問題及其求解[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2001（3）：1-7.

Laser Three-dimensional Additive Forming Manufacturing Platform by Computer Integrating for LCD-SLM-SLS

Yan Yongnian，Jing Hong,Zhang Dingjun,Chen Zhendong
（Jiangsu Yongnian Laser Forming Tech.Co.,Ltd，Kunshan 215300，China）

LCD (laser cladding deposition)and SLM/S (selective laser melting/sintering)are two kinds of the most important metal addictive forming technologies.In the paper，it was proposed that the Laser addictive forming platform was built based on all information and heterogeneous data about the CAD model，layering，path planning，parameters of process and Laser System by using the technology principle and system integration methods of CIMS (computer integrated manufacturing system).The LSS (LCD-SLM/S)platform integrates all data，optimizes 3D-printer and laser devices under the control of computer and greatly improves the degree of information sharing，the ratio of information utilization and energy efficiency.

laser cladding deposition(LCD)；selective laser melting(SLM)；selective laser sintering (SLS)；computer integrated manufacturing system(CIMS)；3D printing

TG66

A

1009－279X（2014）03－0001-07

2014-04-12

顏永年，男，1938年生，教授。