先進摩擦增材制造控制系統(tǒng)總體設(shè)計與過程仿真

薛鳳桐，劉海濱

（中國航天系統(tǒng)科學與工程研究院，北京 100048）

前言

《中國制造2025》[1]中提出了我國實現(xiàn)制造強國的“三步走”戰(zhàn)略目標，逐步推進工業(yè)化和信息化的融合，推動智能制造的發(fā)展。而作為智能制造的重要組成，增材制造（Additive Manufacturing，簡稱 AM），又稱“3D打印”，一直備受社會關(guān)注，并在科研單位和創(chuàng)新企業(yè)中成為熱點研究領(lǐng)域。當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)濟高效的增材方式。

本文介紹了一種新的增材方式——先進摩擦增材制造（Advice Friction Additive Manufacturing，簡稱AFAM），對當前AFAM的發(fā)展狀況以及與其他增材方式進行了分析和比較，提出了AFAM控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，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 先進摩擦增材制造

1.1 先進摩擦增材制造

在2001年，美國北德克薩斯州大學著名的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）學者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，并在美國國家科學基金和美國軍方的支持下得到了鋁合金和鎂合金的試驗驗證[3][4]。這里所說的FSAM技術(shù)是以板材為進料，利用FSW原理進行的增材。之后印度學者J. John Samuel Dilip利用旋轉(zhuǎn)的棒料開展了摩擦沉積，實現(xiàn)了304不銹鋼的增材[5][6]。2015年，美國的Jacob Rollie Calvert在其碩士期間實現(xiàn)了鎂合金粉末作為進料的增材制造，為推動FSAM帶來了新的動力[7]。

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

AFAM是先進技術(shù)研究院的東青高工與2017年8月提出的概念，同時以顆粒料為輸入在無任何夾持的條件下成功實現(xiàn)了鋁合金的增材[8]；同年11月，并將一臺普通銑床成功的改造成了AFAM概念樣機[9]。雖然與FSAM有同樣的機理，但AFAM豐富了進料的形式，進料不僅可以是板材，也可以是棒料、顆?；蚴欠勰?。同時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增材工藝的簡易過程圖

表1 AFAM與其他增材方式的對比

1.2 AFAM與其他增材方式的對比

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比，分別從精度、成型速度、性能、零件復雜度、零件尺寸以及成本等不同角度進行論述。

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：

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

（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；而且對于材料的形態(tài)沒有限制，可以使板、條、顆?；蚍勰?，無需專門制備。

（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；三是適合老舊機床的改造，降低報廢比例。

（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)外的摩擦增材試驗均是在鎂鋁等輕合金上開展的。國內(nèi)南昌航空大學柯黎明教授利用鋁合金板材（YL12）開展增材試驗，先進技術(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），同時也有學者在以鋁合金展開試驗。印度學者Dilip以“摩擦沉積”的形式實現(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學者Mishra教授認為“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)，比如機身平面板的加強筋，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比、特點分析和應(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

本節(jié)主要是根據(jù)上述的分析對摩擦增材制造過程進行集成化和智能化控制。本節(jié)根據(jù)AFAM的工藝特點，結(jié)合智能化控制方面的理論成果對摩擦增材制造加工控制系統(tǒng)（簡稱AFAM控制系統(tǒng)）進行總體設(shè)計，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)。

總體控制是整個系統(tǒng)的核心，是加工控制系統(tǒng)的大腦，主要實現(xiàn)對輸入信息的處理和對各個系統(tǒng)的任務(wù)分配及控制。刀具控制系統(tǒng)主要是對刀具的控制，包括道具選擇和轉(zhuǎn)速等，實現(xiàn)對成型件的性能控制。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。進料控制系統(tǒng)是對輸入的顆粒料（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。由于溫度對整個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)主要是完成兩個任務(wù)：一個是成型控制，另一個是性能控制。

在成型控制中，實際上一個零件的成型首先是對三維模型的切片，然后按照每片層的形狀進行摩擦增材，最后再在縱向上進行堆疊。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”實現(xiàn)對刀具控制系統(tǒng)中刀具選擇；通過輸入“堆片形狀”和“堆片高度”實現(xiàn)對材料支撐控制系統(tǒng)的軌跡路線控制。其中刀具控制系統(tǒng)又通過對材料支撐控制系統(tǒng)輸入“刀具寬度”，來實現(xiàn)對軌跡道數(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)主要包括行進方向、行進速度、間距、刀具轉(zhuǎn)速、進料量、進料角度和溫度等，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)不同的量來實現(xiàn)性能的控制。除了總控系統(tǒng)對不同系統(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；進料量與角度應(yīng)和行進速度與方向相匹配等。性能控制應(yīng)該是整個系統(tǒng)相對復雜的一個功能。

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其進行處理，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)信息進行處理，在不同的控制模塊作用下控制相應(yīng)的對象進行摩擦增材，也就是進行堆焊成型，同時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，通過控制刀具運動和材料支撐系統(tǒng)的運動完成成型件的堆焊；進料控制系統(tǒng)也根據(jù)輸入的信息，控制進料量等參數(shù)來匹配成型過程實現(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，分別測定刀具溫度、堆件溫度以及進料溫度。測定的溫度經(jīng)過溫度控制模塊，如果過高就會控制冷卻裝置（冷卻液）來對其進行降溫；如果溫度過低就會通過提高刀具轉(zhuǎn)速、壓力等措施來提高溫度，保證成型件的性能。其他傳感器測定的參數(shù)也是同樣的作用機理。整個系統(tǒng)通過傳感器傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，結(jié)合智能化控制技術(shù)，使各工藝參數(shù)達到一個最優(yōu)的配置，來實現(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)和進料控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同工藝參數(shù)的智能控制。

（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)：由于不同傳感器測得的工藝參數(shù)對性能有重要影響，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分系統(tǒng)，且某一個參數(shù)也會受到不同系統(tǒng)的約束，所以應(yīng)考慮協(xié)同控制問題。

（5）基于知識庫的溫度自適應(yīng)控制技術(shù)：溫度是一個重要影響因素，故可以構(gòu)建溫度的知識庫實現(xiàn)自適應(yīng)控制，使得性能參數(shù)達到最優(yōu)狀態(tài)。根據(jù)需要也可以構(gòu)建其他工藝參數(shù)的知識庫，實現(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“十三五”和《中國制造2025》，積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”，工信部于2016年底出臺了《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環(huán)節(jié)，包括設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)等均實現(xiàn)軟件化，提高計算機輔助設(shè)計與仿真在生產(chǎn)制造中的作用，實現(xiàn)智能制造。在此背景下，本文針對AFAM技術(shù)的智能化，在提出控制系統(tǒng)的總體設(shè)計基礎(chǔ)上，進一步對過程仿真開展研究。

本節(jié)主要在上述控制系統(tǒng)框架下，進行AFAM加工過程的仿真設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)共分為總控系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、支撐板系統(tǒng)、進料系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)五個系統(tǒng)，但在仿真過程中根據(jù)所研究的問題不同可以適當簡化。本部分主要是針對主要工藝參數(shù)的優(yōu)化問題展開仿真，所以對其中的進料系統(tǒng)進行簡化。

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、壓力和前進速度等在加工過程中對成型件的溫度、應(yīng)力等的影響，找出最優(yōu)化的工藝參數(shù)。

針對上述問題，在仿真過程中作如下的假設(shè)：

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

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

（3）為了過程連續(xù)和計算簡便，按照一般做法，將每次增加的材料簡化為一個小方塊。

基于上述的假設(shè)，可以將整個過程簡化為如圖4所示過程。首先是對CAD模型的結(jié)構(gòu)劃分，這是仿真分析的基礎(chǔ)。實際的3D打印過程也是將成型件的數(shù)字模型進行結(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行。第二步是對獲得的結(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，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)，在一定的步長時間（步長時間=單元尺寸/行進速度）內(nèi)完成載荷的加載和求解計算。在這過程中，應(yīng)該注意的重要一點是相鄰步長間各邊界條件不同，需要實時的更新。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，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，共計單元9102個，幾點數(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)導入到Matlab中，利用Matlab強大的數(shù)學運算能力對各單元數(shù)據(jù)進行處理，規(guī)劃軌跡。

首先將ANSYS中各單元的幾何中心坐標導入到Matlab中，作為各單元的控制點。本文采用“來回掃”的軌跡形式實現(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坐標進行歸類，同一Z坐標在同一層，得到層單元集合；

（2）分行：對每層的不同單元的Y坐標進行歸類，由于各單元并不是嚴格的按直線排列，故取單元的邊長為間隔，在間隔內(nèi)的為一行，得到相應(yīng)層的不同行集合，并對行號進行標記；

（3）排序：針對不同層的不同行，對各單元的X坐標進行排序，奇數(shù)行X坐標從小到大排，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組合成一個按章上述算法排列的一個數(shù)列，得到單元軌跡。

本文依照上述算法，利用Matlab實現(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)——先進摩擦增材制造（AFAM），該技術(shù)具有性能優(yōu)異、效率高、經(jīng)濟、綠色等特點，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，在未來制造業(yè)升級改造中將占有相當?shù)谋戎兀谕ㄟ^與其他傳統(tǒng)的增材方式的比較，其價值更是潛力巨大。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，并對其仿真建模提供了解決思路。這也是后期的重點工作，在“軟件定義制造”的指導下，推動AFAM技術(shù)的發(fā)展。

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