先進摩擦增材制造控制系統總體設計與過程仿真

薛鳳桐，劉海濱

（中國航天系統科學與工程研究院，北京 100048）

前言

《中國制造2025》[1]中提出了我國實現制造強國的“三步走”戰略目標，逐步推進工業化和信息化的融合，推動智能制造的發展。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”，一直備受社會關注，并在科研單位和創新企業中成為熱點研究領域。當前主流的增材制造技術主要包括：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，使得制造業有了新的活力，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，也有待開發新的經濟高效的增材方式。

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控制系統的總體設計方案，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，FSW）學者Rajiv Mishra教授就提出了摩擦攪拌處理[2]（Friction Stir Processing，FSP），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，FSAM）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利用旋轉的棒料開展了摩擦沉積，實現了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基礎上進行的改進與升級。AFAM同樣利用FSW的原理，在高速旋轉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、顆粒或是粉末。同時在其摩擦攪拌的過程中創建了“真空微環境”，避免了半固態金屬的氧化，這樣對增材結果的質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，使得增材材料的結構更加致密。2017年12月，AFAM已經發展出利用刀具頂端和側部進行增材的兩種增材方式，AFAM已經加快了發展的步伐。

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。

根據表1，并結合AFAM的工藝過程，可以得出其具有如下特點：

（1）成型件性能優異：基于FSW技術，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，FSAM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沒有限制，可以使板、條、顆粒或粉末，無需專門制備。

（3）增材效率高：相比激光、電子束等方式，FSAM技術更適合于中大型結構件增材制造。

（4）成本較低：一是設備成本低，熱源產生于刀具與材料的摩擦，只需提供較高的旋轉速度，相比較激光、電子束等發生器成本低；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）綠色環保：一方面耗能小，另一方面不產生任何廢水廢氣。

目前，AFAM還處于起步階段，國內外的摩擦增材試驗均是在鎂鋁等輕合金上開展的。國內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，FSW已經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，特別是廣泛應用與航空航天的鋁合金和鎂合金。

雖然目前AFAM技術還處于探索研究階段，但關于其應用前景，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”，并且給出了應用領域[15]：第一，航空航天領域內剛性的筋板和梁結構，比如機身平面板的加強筋，航天大型鍛件15米大環（2219鋁合金）等；第二，化工和核部門的抗蠕變結構，如圓柱形壓力容器；第三，其他應用領域的功能和梯度材料，如外層是耐腐蝕材料，內部是韌性材料等。

總的來看，通過與其他增材制造方式的對比、特點分析和應用展望，AFAM技術的發展前景很好，有望成為廣泛應用的增材制造方式。

2 AFAM加工控制系統總體設計

本節主要是根據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。本節根據AFAM的工藝特點，結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（簡稱AFAM控制系統）進行總體設計，提出AFAM控制系統的總體方案。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 控制系統構成

根據AFAM控制系統的功能以及結構劃分，該控制系統由以下分系統構成：總體控制系統；刀具控制系統；進料控制系統；溫度控制系統；材料支撐控制系統。

總體控制是整個系統的核心，是加工控制系統的大腦，主要實現對輸入信息的處理和對各個系統的任務分配及控制。刀具控制系統主要是對刀具的控制，包括道具選擇和轉速等，實現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，它實現的是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。

2.2 各系統相關關系

各系統之間的關系如圖2所示，總控系統主要是完成兩個任務：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，總體控制系統在成型控制這一功能上主要聯系刀具控制系統和材料支撐控制系統。總控系統通過輸入“堆片寬度”實現對刀具控制系統中刀具選擇；通過輸入“堆片形狀”和“堆片高度”實現對材料支撐控制系統的軌跡路線控制。其中刀具控制系統又通過對材料支撐控制系統輸入“刀具寬度”，來實現對軌跡道數和間距的控制。

在性能控制上，影響成型件性能的工藝參數主要包括行進方向、行進速度、間距、刀具轉速、進料量、進料角度和溫度等，而這些所有工藝參數與各系統均有聯系。因此，總體控制系統在接收到性能要求的輸入后，經過總控系統的處理與分配，通過控制各系統不同的量來實現性能的控制。除了總控系統對不同系統的控制，還包括各系統之間的相互控制，比如溫度與刀具轉速之間存在一定關系；進料量與角度應和行進速度與方向相匹配等。性能控制應該是整個系統相對復雜的一個功能。

2.3 各系統之間的控制關系

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

如圖3所示，總體控制系統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。經過加工處理后，總體控制系統輸出堆片的幾何參數以及堆件的性能參數到數據總線，由總體控制系統輸出的參數信息經數據總線分配給不同的控制系統，不同的控制系統接收到參數信息進行處理，在不同的控制模塊作用下控制相應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。刀具控制系統和材料支撐控制系統接收到幾何參數信息之后，通過控制刀具運動和材料支撐系統的運動完成成型件的堆焊；進料控制系統也根據輸入的信息，控制進料量等參數來匹配成型過程實現性能最優化。在溫度控制系統中，主要的數據來源是溫度傳感器，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也是同樣的作用機理。整個系統通過傳感器傳輸的實時數據，結合智能化控制技術，使各工藝參數達到一個最優的配置，來實現成型件的性能的最優化。

2.4 AFAM控制系統中的關鍵技術

根據上述的各系統控制關系，綜合分析整個系統，主要涉及到關鍵技術如下：

圖2 AFAM控制系統關系圖

圖3 AFAM控制系統各系統控制關系圖

（1）基于數據總線的集成控制技術：主要解決總體控制系統與各系統之間數據通信問題。

（2）智能控制技術：主要涉及溫度控制系統、刀具控制系統、材料支撐控制系統和進料控制系統，實現對不同工藝參數的智能控制。

（3）多傳感器數據融合技術：由于不同傳感器測得的工藝參數對性能有重要影響，故需要解決數據融合問題。

（4）多相位協同控制技術：由于性能控制涉及多個分系統，且某一個參數也會受到不同系統的約束，所以應考慮協同控制問題。

（5）基于知識庫的溫度自適應控制技術：溫度是一個重要影響因素，故可以構建溫度的知識庫實現自適應控制，使得性能參數達到最優狀態。根據需要也可以構建其他工藝參數的知識庫，實現不同工藝參數的自適應控制。

圖4 AFAM過程仿真的過程

圖7 層內軌跡示意圖

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“互聯網+”，工信部于2016年底出臺了《軟件和信息技術服務業發展規劃（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節，包括設計、研發、生產等均實現軟件化，提高計算機輔助設計與仿真在生產制造中的作用，實現智能制造。在此背景下，本文針對AFAM技術的智能化，在提出控制系統的總體設計基礎上，進一步對過程仿真開展研究。

本節主要在上述控制系統框架下，進行AFAM加工過程的仿真設計。控制系統共分為總控系統、刀具系統、支撐板系統、進料系統和溫控系統五個系統，但在仿真過程中根據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的優化問題展開仿真，所以對其中的進料系統進行簡化。

過程仿真的目的是研究各工藝參數，包括刀具旋轉速度、壓力和前進速度等在加工過程中對成型件的溫度、應力等的影響，找出最優化的工藝參數。

針對上述問題，在仿真過程中作如下的假設：

（1）進料系統在進料過程中是單位時間內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間隔時間內一塊規則的材料增加；

（3）為了過程連續和計算簡便，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，可以將整個過程簡化為如圖4所示過程。首先是對CAD模型的結構劃分，這是仿真分析的基礎。實際的3D打印過程也是將成型件的數字模型進行結構劃分，便于后續過程控制。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構劃分模型開展軌跡規劃，這一步利用結構劃分模型中各單元的幾何中心作為控制點，采用一定的“掃描規則”規劃出刀具行走的路線。第三步是根據規劃的軌跡開始堆積，這是增材實現的關鍵一步。第四步是載荷加載，第五步是狀態分析。為了仿真方便，可以利用第一步劃分的網格單元作為堆積的單元模型，采用生死單元的技術，在一定的步長時間（步長時間=單元尺寸/行進速度）內完成載荷的加載和求解計算。在這過程中，應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。最后一步是根據不同參數下的狀態分析，采用優化智能算法找到最優的旋轉速度、行進速度以及刀具壓力等工藝參數的搭配。

3.2 基于大型航空鋁合金構件的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件展開了仿真研究，鋁合金構件如圖5所示。

按照上述流程，本文已經開展了兩部分的工作：

3.2.1 結構劃分

本文利用有限元分析軟件ANSYS，將該鋁合金構件進行結構劃分。根據上述假設，將鋁合金構件劃分成正六面體單元。由于構件的結構特點，需要用映射網格劃分方法，最終可獲得劃分網格后的模型，如圖6所示，共計單元9102個，幾點數量14197。

3.2.2 軌跡規劃

本文在鋁合金構件劃分網格后，將各正六面體單元的數據導入到Matlab中，利用Matlab強大的數學運算能力對各單元數據進行處理，規劃軌跡。

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”的軌跡形式實現增材，軌跡示意如圖7所示。

軌跡規劃的算法如下：

（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，在間隔內的為一行，得到相應層的不同行集合，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，奇數行X坐標從小到大排，偶數行按從大到小排，最終得到排好序的相應層的不同行集合；

（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列，得到單元軌跡。

本文依照上述算法，利用Matlab實現了鋁合金構件的軌跡規劃，得到了單元排序軌跡。后續，筆者將根據仿真流程，在這兩步工作的基礎上繼續開展AFAM仿真的研究，最終實現AFAM技術的可視化，并可以得到優化參數。

4 結語

本文主要介紹了一種新的增材制造技術——先進摩擦增材制造（AFAM），該技術具有性能優異、效率高、經濟、綠色等特點，是其它增材制造技術的創新和重要組成。由于AFAM的工藝及特點，在未來制造業升級改造中將占有相當的比重，在通過與其他傳統的增材方式的比較，其價值更是潛力巨大。為了AFAM技術的工業化、信息化和智能化，本文提出了AFAM加工控制系統的總體設計，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技術的發展。

參考文獻

[1]國務院.國務院關于印發《中國制造2025》的通知[ES/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.[2018-04-27].

[2]Mishra R S，Mahoney M W. Friction Stir Processing：A New Grain Refinement Technique to Achieve High Strain Rate Superplasticity in Commercial Alloys[C]// Materials Science Forum. 2001：507-514.

[3]Palanivel S，Nelaturu P，Glass B，et al. Friction stir additive manufacturing for high structural performance through microstructural control in an Mg based WE43 alloy[J]. Materials& Design（1980-2015），2015，65 ：934-952.

[4]Palanivel S，Sidhar H，Mishra R S. Friction Stir Additive Manufacturing ：Route to High Structural Performance[J]. JOM，2015，67（3）：616-621.

[5]Dilip J J S，Rafi H K，Ram G D J. A new additive manufacturing process based on friction deposition[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals，2011，64（1-2）：27-30.

[6]Dilip J J S 1. Additive manufacturing with friction welding and friction deposition processes[J]. International Journal of Rapid Manufacturing，2012，3（1）：56-69.

[7]Calvert J R. Microstructure and Mechanical Properties of WE43 Alloy Produced Via Additive Friction Stir Technology[J]. 2015.

[8]張小紅.我國先進摩擦增材制造取得突破性成果[J].中國有色金屬，2017（17）：21-21.

[9]張小紅.國內首臺先進摩擦增材制造裝備打出樣件[ES/OL].http ：//www.cnnm.cn/index-index-newC.html?cid=4&tid=15&mid=3187.[2018-04-27].

[10]周成候，李蟬，吳王平，等. 金屬材料增材制造技術[J]. 金屬加工（冷加工）冷加工，2016（s1）：879-883.

[11]趙志國，柏林，李黎，等. 激光選區熔化成形技術的發展現狀及研究進展[J]. 航空制造技術，2014，463（19）：46-49.

[12]陳瑋，陳哲源. 電子束選區熔化增材制造技術——航空飛行器復雜結構 精 密 制 造 的 新 方 向[ES/OL]. http ：//www.cannews.com.cn/epaper/zghkb/2014/12/18/A06/story/438850.shtml.[20180322].

[13]向永華，徐濱士，呂耀輝，等. 微束等離子粉末熔覆金屬零件直接快速成形研究[J]. 中國表面工程，2009，22（4）：44-48.

[14]王敏. 大型薄壁高精度攪拌摩擦焊設備技術研究--中國科學院沈陽自動化研究所成果[J]. 科技成果管理與研究，2016（9）.

[15]James Withers，Rajiv S. Mishra.Powerpoint presentation on ：Friction Stir Additive Manufacturing as a potential route to achieve high performing structures. In ：US DOE workshop on Advanced Methods for Manufacturing（AMM）； 2015-9-29.

[16]黃斌.基于靜軸肩攪拌摩擦焊的增材制造技術研究[D].南昌航空大學，2016.

[17]王忻凱，邢麗，徐衛平，等. 工藝參數對鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響[J]. 材料工程，2015，43（5）：8-12.

[18]何斌，黃春平，張海軍，等. 搭接量對LY12鋁合金攪拌摩擦增材制造成形的影響[J]. 南昌航空大學學報（自然科學版），2014（3）：78-82.

[19]張龍. 3D打印過程的計算機仿真研究[D]. 蘭州理工大學，2014.

[20]晁艷普，齊樂華，白政民. 7075鋁合金微滴打印沉積制造中熱力耦合3D動態仿真分析研究（英文）[J]. 稀有金屬材料與工程，2016，45（8）：1924-1930.

[21]紀良波.熔融沉積成型有限元模擬與工藝優化研究[D].南昌大學，2011.

[22]祁冬杰.熔融沉積成型過程溫度場和應力場研究[D].昆明理工大學，2017.

[23]王利.熔融沉積成型過程傳熱及其數值模擬研究[D]. 昆明理工大學，2016.

[24]戴岳.基于ANSYS模擬的熔融沉積快速成型精度研究[D]. 內蒙古科技大學，2015.