增材再制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展

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(shù)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(jìn)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?qū)崿F(xiàn)廢舊產(chǎn)品修復(fù)和改造，是推動(dòng)資源綜合利用和環(huán)境保護(hù)綠色發(fā)展的有效途徑之一。習(xí)近平總書記提出的“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”五大發(fā)展理念，強(qiáng)調(diào)綠色發(fā)展的生態(tài)文明觀。《中國制造2025》從國家戰(zhàn)略層面，描繪了建設(shè)制造強(qiáng)國的宏偉藍(lán)圖。其中，重點(diǎn)提出全面推進(jìn)綠色制造，推進(jìn)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(zhì)化、復(fù)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(shù)以其無模自由成形、個(gè)性化定制、數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)成為制造產(chǎn)業(yè)優(yōu)選技術(shù)之一，為再制造業(yè)產(chǎn)業(yè)提供了新思路，能夠?qū)崿F(xiàn)資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)，發(fā)揮巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。再制造技術(shù)的重要特征是制造后的產(chǎn)品質(zhì)量和性能能夠達(dá)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(jì)，我國設(shè)備總資產(chǎn)達(dá)到了幾萬億。如果其中10%的報(bào)廢設(shè)備能夠通過修復(fù)再制造形成產(chǎn)品，就能創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家非常重視再制造產(chǎn)業(yè)，在技術(shù)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(jì)模式作出了突出貢獻(xiàn)。

增材再制造技術(shù)是基于金屬增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零部件損傷部位的尺寸恢復(fù)和零部件性能恢復(fù)或提升，具有修復(fù)效率高、修復(fù)區(qū)結(jié)合強(qiáng)度大、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

增材制造技術(shù)作為一種顛覆性新技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)學(xué)、模具、藝術(shù)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新教育等領(lǐng)域，成為推動(dòng)創(chuàng)新的重要推手，是促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和自主創(chuàng)新的新推力。美國ASTM F42增材制造技術(shù)委員會(huì)在《增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語》(ASTM F2792-12a)中所定義的增材制造技術(shù)，包括光固化成形、材料噴射、黏結(jié)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(shù)占主導(dǎo)。增材再制造技術(shù)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(jié)合的一種技術(shù)。該技術(shù)在大中型高性能結(jié)構(gòu)零部件的制造以及修復(fù)再制造領(lǐng)域中有著極高的應(yīng)用價(jià)值。

本文針對金屬增材再制造的產(chǎn)業(yè)需求，闡述其技術(shù)種類、特點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(shù)具有能夠制造大結(jié)構(gòu)零部件、成形效率高、零件致密、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)。其代表性技術(shù)，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(dòng)機(jī)艙推力拉梁、翼梁、帶筋壁板等大型承力結(jié)構(gòu)件成形上已有應(yīng)用。采用該技術(shù)制造的零部件表現(xiàn)出了極為優(yōu)異的力學(xué)性能。

送絲式增材再制造與送粉式增材再制造技術(shù)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(xué)性能優(yōu)異等共同優(yōu)點(diǎn)外，送絲式增材制造還具有材料極易獲得且成本遠(yuǎn)低于粉末的特點(diǎn)。在制造過程中，材料利用率接近100%，更加符合當(dāng)前的環(huán)保理念和未來制造技術(shù)的發(fā)展方向。

1.2 按成形能量源分類

電弧增材制造技術(shù)(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(shí)體構(gòu)件的技術(shù)[5-7]。該技術(shù)主要是基于非熔化極氣體 (tungsten inert gas,TIG)保護(hù)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(hù)焊、冷金屬過渡 (cold metal transfer，CMT) 等焊接技術(shù)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(jié)構(gòu)件，具有成本低、設(shè)備簡單、效率高等優(yōu)點(diǎn)。所打印的構(gòu)件化學(xué)成分均勻、致密度高，成形速率可達(dá)幾kg/h；但是電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要表面二次機(jī)加工[6]。歐洲空中客車、歐洲導(dǎo)彈生產(chǎn)商、法國航天企業(yè)Astrium、英國克萊菲爾德大學(xué)、德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司、青島卓思三維智造技術(shù)有限公司等對該技術(shù)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(shí)體構(gòu)件的技術(shù)。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(shí)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(shù)特征的激光選區(qū)熔化 (selective laser melting,SLM)技術(shù)、以送粉/送絲為技術(shù)特征的激光金屬直接成形 (laser metal direct forming,LMDF) 技術(shù)[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(jié)構(gòu)限制，該技術(shù)可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以加工以及薄壁零件的加工制造。美國Sandai國家試驗(yàn)室、密西根大學(xué)、德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所、西北工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)等開展了該領(lǐng)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(shí)體構(gòu)件的技術(shù)。

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(zhì)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(dǎo)致設(shè)備的成本昂貴。電子束熔絲沉積成形技術(shù)適用于大型結(jié)構(gòu)的快速成形，電子束選區(qū)熔化技術(shù)適合小型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shí)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(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

增材再制造是“自下而上”的加工技術(shù)，突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對復(fù)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(shù)已經(jīng)應(yīng)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(jì)效益和社會(huì)效益。

2.1 鋼鐵行業(yè)

由于在高溫、高應(yīng)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(shí)現(xiàn)工件表面性能修復(fù)，降低了更換成本。激光再制造技術(shù)在寶鋼、鞍鋼等大型鋼鐵企業(yè)已得到了大量的應(yīng)用，成為鋼鐵行業(yè)核心備件修復(fù)再利用的新發(fā)展方向[13]。

激光修復(fù)軋輥如圖4所示。

圖4 激光修復(fù)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(shù)得到有效恢復(fù)。經(jīng)過修復(fù)制造后的零部件，可以達(dá)到或高出全新零部件的質(zhì)量。利用再制造技術(shù)進(jìn)行修復(fù)的典型產(chǎn)品有艉軸、軸套、曲軸、聯(lián)軸器內(nèi)孔和增壓轉(zhuǎn)子等。唐等[14]研究了船舶和艦艇上使用的轉(zhuǎn)舵叉的激光制造修復(fù)。經(jīng)機(jī)械加工和著色探傷，修復(fù)后的轉(zhuǎn)舵叉符合使用要求。

2.3 航空航天行業(yè)

在航空航天領(lǐng)域，對零部件的修復(fù)再制造也正在創(chuàng)造巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值。以發(fā)動(dòng)機(jī)的維修市場為例，2018年，全球發(fā)動(dòng)機(jī)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(yù)計(jì)未來10年，全球商用航空售后服務(wù)市場還將持續(xù)增長，增幅將超過30%[15 ]。在此期間，發(fā)動(dòng)機(jī)維修市場預(yù)計(jì)增長將達(dá)50%，總金額達(dá)371億美元。Rolls-Royce、GE等公司采用該技術(shù)用于渦輪葉片的修復(fù)，給公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。美國普渡大學(xué)的Wilson科研團(tuán)隊(duì)，針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片進(jìn)行了相關(guān)的修復(fù)研究工作。他們通過CAD構(gòu)建了葉片的數(shù)學(xué)模型，并采用激光送粉增材技術(shù)對破損的葉片進(jìn)行修復(fù)再制造，尺寸精度和力學(xué)性能都達(dá)到了要求[16]。

2.4 電力行業(yè)

汽輪機(jī)是發(fā)電廠的核心設(shè)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(gè)月對汽輪機(jī)進(jìn)行檢查或修復(fù)；同時(shí)，汽輪機(jī)造價(jià)高昂(達(dá)100～200萬元)，制造周期長(1～2個(gè)月)。對這些軸類零件進(jìn)行修復(fù)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(shí)間成本，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。李允東等[17]對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸頸的再制造基礎(chǔ)工藝問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選取與轉(zhuǎn)子匹配的 S1M 合金粉末，成功地實(shí)現(xiàn)了磨損的28CrMoNiV 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子再制造試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子再制造層平均表面硬度為687 HL，高于基體557 HL，轉(zhuǎn)子再制造層外圓的最高綜合跳動(dòng)為6.25 μm，符合使用標(biāo)準(zhǔn)。有學(xué)者針對發(fā)電廠中的渦輪機(jī)和曲軸等零件，采用多道次激光制造修復(fù)技術(shù)。通過對比基材和熔覆層的微觀組織和力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)獲得的熔覆層拉伸強(qiáng)度、塑性和韌性都優(yōu)于基材，達(dá)到了良好的修復(fù)效果[18]。

葉片損傷已修復(fù)區(qū)域?qū)嵨飯D[19]如圖5所示。

圖5 葉片損傷已修復(fù)區(qū)域?qū)嵨飯D 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(hù)和更新費(fèi)用占據(jù)了大量的成本比例。這一方面是由于軌道維護(hù)時(shí)無法使用所產(chǎn)生的損失費(fèi)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(fèi)。國外學(xué)者采用激光送粉增材制造技術(shù)對鋼軌進(jìn)行了修復(fù)研究，并對其耐磨性和蠕變性能進(jìn)行了分析和測試。研究結(jié)果表明，在1 500 MPa的載荷下，修復(fù)后的熔覆層高于耐磨性標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜、生產(chǎn)周期長、加工成本高。因此，對失效模具的修復(fù)再利用，可以大大縮短生產(chǎn)線維護(hù)的時(shí)間，從而節(jié)約資金，提高效益。從當(dāng)前的研究來看，激光和電子束技術(shù)都被成功地應(yīng)用于模具修復(fù)。有學(xué)者采用激光送絲修復(fù)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(yàn)證明激光送絲再制造可以達(dá)到模具表面缺陷修復(fù)的要求[21]。近年來，采用SLM技術(shù)在模具基臺(tái)上嫁接型模，實(shí)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(zhì)量，越來越受到廣泛重視。采用SLM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在基臺(tái)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(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)揮了重要的經(jīng)濟(jì)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(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)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(shù)可以提高制造業(yè)資源利用，提升制造業(yè)轉(zhuǎn)型與升級(jí)，促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和生態(tài)文明型社會(huì)建設(shè)。

我國政府高度重視3D打印技術(shù)的發(fā)展，《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》(2017-2020年)、《中國制造2025》等規(guī)劃有力地促進(jìn)了增材再制造相關(guān)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(lǐng)域的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)、關(guān)鍵軟件設(shè)計(jì)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(dòng)，該技術(shù)必將獲得快速發(fā)展，未來應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。此外，在一些環(huán)節(jié)上還必須加以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)再制造技術(shù)對關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)的賦能作用。

3.1 增材再制造共性技術(shù)

在關(guān)鍵基礎(chǔ)材料方面，金屬材料(特別是高端金屬粉末或絲材)成分設(shè)計(jì)與制備，由于中美貿(mào)易戰(zhàn)，導(dǎo)致國外的制粉設(shè)備出口限制，成為制備高品質(zhì)粉末的“卡脖子”問題。

在核心零部件方面，大功率高質(zhì)量的激光器、掃描振鏡、高品質(zhì)電子槍及高速掃描系統(tǒng)主要靠進(jìn)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(zhì)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(xué)以及物理冶金等復(fù)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(shù)、再制造修復(fù)技術(shù)和再制造后處理技術(shù)，其核心是再制造修復(fù)技術(shù)。制造過程中，熔池動(dòng)態(tài)監(jiān)控和反饋智能化是提高制造質(zhì)量的關(guān)鍵核心技術(shù)。

3.2 修復(fù)再制造裝備發(fā)展方向

修復(fù)再制造裝備向多功能、智能化、移動(dòng)式方向發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)修復(fù)制造部件的特定性能，必須對修復(fù)制造后的材料進(jìn)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(fù)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(shù)等，可以提高材料的內(nèi)部/表面組織性能和力學(xué)性能。通過人工智能技術(shù)，對加工進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，智能識(shí)別診斷和決策，達(dá)到柔性化制造，實(shí)現(xiàn)再制造質(zhì)量和精度控制。移動(dòng)式再制造裝備也是未來發(fā)展方向。其可以快速移動(dòng)到修復(fù)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)。

3.3 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)存在差距

標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)，金屬增材再制造所涉及的原材料、零部件，從制造、產(chǎn)品質(zhì)量檢測、銷售和維護(hù)服務(wù)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(yīng)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(dòng)增材修復(fù)再制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用。

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

①加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)。

針對國家和地方的發(fā)展規(guī)劃，有計(jì)劃地將增材再制造技術(shù)納入產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中，解決產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)缺失問題，并通過金融財(cái)稅政策支持，圍繞產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)，打通技術(shù)鏈、供應(yīng)鏈和價(jià)值鏈，以軍民融合發(fā)展的產(chǎn)業(yè)體系，全面推動(dòng)再制造工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

②建立人才教育培訓(xùn)體系。

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

③建立“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)調(diào)創(chuàng)新體系。

在金屬增材再制造領(lǐng)域，建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，圍繞材料、裝備、工藝、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)等體系，加快對產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)的研發(fā)和制定，培養(yǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，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(shù)和公共服務(wù)體系，以此培育具有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)集群，推動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 結(jié)論

增材再制造技術(shù)作為制造業(yè)的一種補(bǔ)充技術(shù)，是具有潛力的前沿性技術(shù)，拓寬了制造業(yè)新方向。隨著增材再制造工藝技術(shù)、裝備技術(shù)的突破以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立，其終將在礦山機(jī)械、鋼鐵冶金、船舶、航空航天、電力、交通等行業(yè)大范圍地應(yīng)用，必將有力地促進(jìn)工業(yè)朝著綠色化、低耗化、生態(tài)化的發(fā)展，推動(dòng)再制造技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展和制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，涌現(xiàn)出高能級(jí)的產(chǎn)業(yè)集群和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展。