電弧增材制造軌跡及工藝規(guī)劃研究進(jìn)展

趙 淘 ， 閆朝陽 ， 蔣 凡 ， 陳樹君

1.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124

2.北京工業(yè)大學(xué) 汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124

0 前言

增材制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動的自下而上、逐層沉積的高效綠色制造技術(shù)，又稱快速原型、3D打印等［1-2］，其結(jié)合了材料科學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、機(jī)電技術(shù)等多項高科技優(yōu)勢，可實現(xiàn)高分子、金屬、陶瓷等多種材料的快速成形，滿足航空航天、武器裝備、船舶重工等高端裝備制造業(yè)中大型零部件的高性能快速制造［3］。

電弧熔絲增材制造技術(shù)（DED-Arc/WAAM）是一種以熔化極、非熔化極電弧或等離子為熱源，以工業(yè)機(jī)器人或數(shù)控機(jī)床為載體，通過熔化同步供給的金屬絲材，在基板上逐層沉積制造出金屬零件的快速制造技術(shù)，因其加工效率高、材料應(yīng)用范圍廣、設(shè)備簡易、成形尺寸不受限制等多種優(yōu)勢［4］，引起國內(nèi)外科研院校的研究興趣，從微觀組織演變、機(jī)械性能調(diào)控到宏觀表面形貌、幾何精度控制進(jìn)行了深入探索，促進(jìn)了該技術(shù)在不同行業(yè)的快速應(yīng)用，圖1為航空航天［5］、石油［6］、船舶［7］、重工［8］等領(lǐng)域通過電弧增材制造技術(shù)打印的各類零件。

圖1 電弧增材制造在不同領(lǐng)域的應(yīng)用Fig.1 Application of WAAM in different fields

在中大型復(fù)雜零件的電弧增材制造方面，工藝規(guī)劃直接決定著零件的表面成形質(zhì)量及整體成形精度，包括分層方法、路徑規(guī)劃策略、打印順序、成形方向、工藝參數(shù)匹配與控制及后處理等［3］。首先通過正向建模或逆向工程獲取原始三維模型，通常將其轉(zhuǎn)換為STL模型，然后調(diào)整模型位置并選擇最優(yōu)的分層切片方法將模型轉(zhuǎn)換為一系列的二維平面輪廓，之后根據(jù)不同高度層的平面輪廓幾何特征選擇最優(yōu)的路徑規(guī)劃方法，并匹配最優(yōu)的成形工藝參數(shù)，最后將其轉(zhuǎn)換為機(jī)器軌跡代碼，并通過溫度場控制、實時智能監(jiān)測及動態(tài)調(diào)整來提高零件的成形精度。

WAAM不同于其他增材制造技術(shù)，其成形過程、成形規(guī)律更加復(fù)雜，零件殘余應(yīng)力及熱輸入累積引起的熱應(yīng)力變形及較低的零件成形精度、表面成形質(zhì)量仍然是目前面臨的主要難點(diǎn)［9］。通過多電極耦合技術(shù)［10］、多能場復(fù)合熱源［11］及輥壓技術(shù)［12］在一定程度上可以減輕因熱輸入過大及殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形，而增減材混合加工技術(shù)可以提高零件的成形精度及表面質(zhì)量。北京工業(yè)大學(xué)陳樹君團(tuán)隊研制了機(jī)器人協(xié)電弧增等減復(fù)合制造系統(tǒng)，如圖2所示；華中科技大學(xué)張海鷗團(tuán)隊［13］發(fā)明了智能微鑄鍛銑混合制造技術(shù)，通過外力錘鍛技術(shù)提高力學(xué)性能；何天英等人［14］研制了由增材單元、測量單元及減材單元組成的三機(jī)器人協(xié)同五電弧增材制造裝備，可實現(xiàn)大型金屬構(gòu)件一體化高效制造。基于電弧的增材制造未來很有希望成為生產(chǎn)小批量特殊零件的方法，但目前還處于基礎(chǔ)研究階段。本文從切片方法、路徑規(guī)劃策略、工藝參數(shù)優(yōu)化三個方面闡述了WAAM近年來的研究進(jìn)展，總結(jié)了WAAM工藝規(guī)劃與控制面臨的問題與挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

圖2 北京工業(yè)大學(xué)研制的電弧增等減復(fù)合制造系統(tǒng)Fig.2 Beijing University of Technology developed arc additive， equal and subtractive composite manufacturing system

1 切片算法及軌跡規(guī)劃

1.1 切片算法

切片算法主要是將三維模型轉(zhuǎn)換為系列二維平面，可直接對CAD模型、點(diǎn)云數(shù)據(jù)或STL模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理［15］，用于后續(xù)路徑規(guī)劃。目前，應(yīng)用在增材制造中的切片算法主要分為平面切片算法和空間曲面切片算法兩類，其中平面切片算法可細(xì)分為：單方向等厚度切片算法［16］、單方向自適應(yīng)層厚切片算法［16］、變方向切片算法［17］、螺旋切片算法［18］、多方向切片算法［19］及混合切片算法［20］，曲面切片算法可細(xì)分為：基于圓柱［21-22］、圓錐［23］的規(guī)則曲面切片算法及不規(guī)則曲面切片算法［5］。圖3為適用于不同結(jié)構(gòu)的各種切片算法。

圖3 不同應(yīng)用場景下的切片方法Fig.3 Slicing method in different application situation

由于電弧增材制造成形過程較其他增材制造技術(shù)更加復(fù)雜，因而應(yīng)用最廣的切片算法為單方向等厚度切片算法。而針對具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的零件開發(fā)了多種典型結(jié)構(gòu)的曲面切片算法，結(jié)合多自由度機(jī)器人，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的無支撐打印。Ding等人［19］通過建立基于STL模型三角面片的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計了高計算效率的等厚度切片算法，同時提出一種基于分解重組法的多方向切片算法，可將復(fù)雜模型分解為多個子模型，每個子模型選擇最佳的切片方向進(jìn)行分層處理。針對螺旋結(jié)構(gòu)，Wang等人［17］提出一種參考切片面根據(jù)模型中軸線曲率實時變化的變方向切片算法。針對回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，Yigit等人［18］提出一種螺旋切片算法，該方法可以生成一條連續(xù)的沉積路徑，僅需一次起熄弧可完成整個零件的快速制造。Dai等人［23］提出一種基于圓柱面的曲面切片算法，可實現(xiàn)大型螺旋槳的快速制造。Kapil等人［5］提出一種針對推進(jìn)器結(jié)構(gòu)的不規(guī)則曲面切片算法，與平面切片算法制造的成形件相比，提高了整體成形質(zhì)量及成形精度。

多種高效率、高精度切片算法的提出縮短了三維模型數(shù)據(jù)的預(yù)處理時間，使得電弧增材制造具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)特征的金屬零件成為可能，推動了電弧增材制造在不同領(lǐng)域的大范圍商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

1.2 路徑規(guī)劃方法

路徑規(guī)劃是電弧增材制造的核心步驟，由于單道焊縫成形尺寸大、起熄弧首尾高度差等成形特點(diǎn)，導(dǎo)致起熄弧次數(shù)與位置、路徑規(guī)劃方法直接影響單層表面成形質(zhì)量及整體成形精度。通過交替、旋轉(zhuǎn)起熄弧控制策略可以有效避免高度差導(dǎo)致的成形質(zhì)量問題［25］，如圖4所示。

圖4 起熄弧控制策略［25］Fig.4 Control strategy of starting and extinguish arc

1.2.1 薄壁類路徑規(guī)劃

目前，針對薄壁類構(gòu)件主要有三種路徑規(guī)劃方向：（1）通過提取二維輪廓中軸線獲取打印路徑［26］；（2）將大型零件進(jìn)行單元化劃分，規(guī)劃每一個單元的成形路徑，再將其合并為完整成形路徑［27］；（3）基于歐拉圖的連續(xù)路徑規(guī)劃［28］。這幾種方法均適合于具有不同結(jié)構(gòu)特征的典型零件，通過不同策略使起熄弧次數(shù)最小化、表面成形質(zhì)量最優(yōu)化。Nguyen等人［29］提出一種基于歐拉圖的連續(xù)路徑規(guī)劃方法，通過一次輪廓偏置算法將原始輪廓和偏置輪廓連接成連續(xù)路徑。Shi等人［27］研究了大尺寸高筋壁板的成形工藝及幾何特征，提出單元化規(guī)劃高筋壁板的成形路徑，再將其合并為完整的成形路徑，適用于任意尺寸的高筋壁板成形軌跡規(guī)劃，見圖5。

圖5 路徑規(guī)劃方法Fig.5 Path planning method

1.2.2 多層多道類路徑規(guī)劃

針對中等尺寸的復(fù)雜零件而言，主要有四種基本路徑規(guī)劃方法以及在此基礎(chǔ)上的優(yōu)化路徑。基本方法主要包括Zigzag路徑［30］、輪廓偏置路徑［31］、螺旋路徑［32］及希爾伯特路徑［33］，其中Zigzag路徑具有很好的填充致密度及靈活性且算法健壯性好，輪廓偏置路徑具有很好的幾何還原度，因而這兩種方法及其復(fù)合規(guī)劃方法在電弧增材中應(yīng)用較為廣泛［34-35］。Ding等人［36-37］針對輪廓偏置方法易在中間區(qū)域產(chǎn)生缺陷的問題，提出基于中軸線的自內(nèi)而外的輪廓偏置路徑規(guī)劃方法，同時提出一種成形路徑與工藝參數(shù)自適應(yīng)的MAT路徑規(guī)劃方法。為了減少起熄弧對表面質(zhì)量的影響，Ding等人［38］還提出一種基于多邊形單調(diào)分解的連續(xù)路徑規(guī)劃方法；Wang等人［39］基于注水規(guī)則，通過回溯路徑將往復(fù)直線路徑合并為一條連續(xù)的成形路徑；Bi等人［40］通過提取輪廓偏置路徑中出現(xiàn)的退化區(qū)域，結(jié)合往復(fù)直線路徑，利用深度遍歷算法，得到一條連續(xù)的成形路徑。由于零件的復(fù)雜程度不同，切片輪廓的不同局部區(qū)域適合采用不同的路徑規(guī)劃方法，F(xiàn)lorent等［41］提出MPP路徑規(guī)劃方法，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的輪廓劃分成多個子區(qū)域，根據(jù)各個子區(qū)域的幾何特征生成最佳填充路徑，為了提高多邊形的自動分區(qū)能力；Liu等人［42］提出基于遺傳算法的多邊形分區(qū)算法，可快速高效地對切片輪廓進(jìn)行區(qū)域劃分。

在零件的整體成形路徑規(guī)劃方面，Jin等人［43］通過旋轉(zhuǎn)掃描線的生成方向，使相鄰兩層的沉積路徑產(chǎn)生交錯，從而提高整體成形精度。Zhao等人［44］提出通過周期性增加邊緣補(bǔ)償路徑，消除多層沉積過程中邊緣部位的材料短缺區(qū)域，提高整體成形精度。

1.2.3 典型結(jié)構(gòu)路徑規(guī)劃方法

對于一些典型結(jié)構(gòu)，如T形、十字形及多點(diǎn)同時交叉結(jié)構(gòu)，簡單的通過交叉路徑往往不能得到預(yù)期的成形質(zhì)量，需綜合考慮起熄弧位置、交叉點(diǎn)搭接方式、打印順序、相鄰層路徑走向等多種因素［46-47］。Mehnen等人［48］以兩層為一個路徑規(guī)劃周期，通過改變打印方向、改變起弧點(diǎn)位置提高了“十字形”結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量。Song等人［49］針對網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在的局部交叉特征，提出通過搭接方式消除傳統(tǒng)路徑規(guī)劃策略中產(chǎn)生的高度差，該方法保證了路徑的連續(xù)性，可用于超大型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的快速制造。Rauch等人［24］提出分解法，將復(fù)雜交叉結(jié)構(gòu)劃分為多個子路徑，再按一定順序進(jìn)行打印，可提高零件成形精度。Shirizly等人［50］針對回轉(zhuǎn)體零件，提出一種類似正弦曲線的路徑規(guī)劃策略，該方法生成一條連續(xù)的成形路徑，且轉(zhuǎn)折路徑均位于邊緣部位，具有優(yōu)異的內(nèi)部質(zhì)量及機(jī)械性能。點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)是一種輕量化、高性能的新型結(jié)構(gòu)，因其優(yōu)異的性能廣泛應(yīng)用于航空航天的輕量化設(shè)計，結(jié)合電弧增材不限成形尺寸的工藝特性，可實現(xiàn)大型點(diǎn)陣的高效制造。Yu等人［51］研究了電弧增材制造點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的工藝特性，通過提取三維模型的中軸線，在其指引下完成模型的多方向自適應(yīng)分層及路徑規(guī)劃，結(jié)合5軸數(shù)控增材制造系統(tǒng)，可實現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的自動化打印，如圖6所示。

圖6 典型結(jié)構(gòu)的路徑規(guī)劃策略Fig.6 Path planning strategy of typical structure

從單一優(yōu)化路徑規(guī)劃到混合、分區(qū)分形路徑規(guī)劃，再到典型結(jié)構(gòu)的特殊路徑規(guī)劃，通過引入歐拉圖、遺傳算法、圖形分割、機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合起熄弧控制策略、層間路徑交錯策略，在最小化起熄弧次數(shù)的原則下，避免了各類缺陷的產(chǎn)生，解決了電弧增材制造表面成形質(zhì)量差、整體成形精度低的問題。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化與控制

電弧增材成形過程需要更精細(xì)的工藝控制，包括搭接策略、工藝參數(shù)控制等，其直接影響焊縫表面平整度、微觀組織、機(jī)械性能等各項性能指標(biāo)，決定著單道多層類結(jié)構(gòu)、多層多道類結(jié)構(gòu)、傾斜結(jié)構(gòu)、懸空結(jié)構(gòu)的成形質(zhì)量與成形精度。

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

單層多道中相鄰平行焊縫搭接距離直接決定著焊縫上表面平整度，其計算模型主要分為理想搭接模型和斜頂搭接模型，計算模型選用的單道焊縫橫截面擬合函數(shù)有拋物線、正弦曲線及圓弧曲線三種［55］，不同的擬合函數(shù)及搭接模型會得到不同的焊縫搭接比，目前有 55%［52］、63.66%［53］，66.6%［54］、71.5%［55］及73.8%［56］五種搭接距離可供選用。另一方面，同類型路徑規(guī)劃方法或不同類型路徑規(guī)劃方法相互搭接時，其搭接處成形情況與平行焊縫搭接時不完全相同，F(xiàn)lorent等人［41］通過改變搭接區(qū)域的工藝參數(shù)提高表面成形質(zhì)量，Nguyen等人［57］通過改變Zigzag路徑和輪廓偏置路徑之間的搭接距離（d=0.47w，d為最優(yōu)搭接距離，w為焊縫寬度）避免孔隙缺陷。Liu等人［58］探討了非平行相鄰焊縫在拐點(diǎn)處的成形缺陷，發(fā)現(xiàn)當(dāng)夾角度數(shù)小于58.65°時，開始在拐點(diǎn)處形成孔隙缺陷，拐點(diǎn)夾角度數(shù)越小，孔隙缺陷尺寸越大，并通過優(yōu)化拐點(diǎn)處的路徑消除了孔隙缺陷。Li等人［59］探索了多層多道搭接工藝，通過優(yōu)化每一層邊緣部位焊縫與其相鄰的焊縫搭接值，消除了邊緣部位的材料短缺區(qū)域，提高了整體成形精度。工藝參數(shù)優(yōu)化方法如圖7所示。

圖7 工藝參數(shù)優(yōu)化方法Fig.7 Process parameter optimization method

當(dāng)焊槍始終與基板垂直時，通過合理的打印層厚及搭接策略可以成形一定傾斜角度范圍內(nèi)的懸空結(jié)構(gòu)［60-61］。趙昀等人［62］研究了焊槍保持豎直的狀態(tài)下，工藝參數(shù)和線能量對直臂墻傾斜生長能力的影響，試驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)線能量超過某一值時，可成形0°懸臂梁。Kazanas等人［63］通過調(diào)整焊槍姿態(tài)，使焊槍始終與焊縫保持豎直，可成形任意角度范圍內(nèi)的傾斜結(jié)構(gòu)。

2.2 工藝參數(shù)控制

電弧增材過程涉及大量工藝參數(shù)，包括焊接電流、焊接速度、送絲速度、干伸長、保護(hù)氣流量等，導(dǎo)致焊縫成形尺寸變化范圍大，難以確定最優(yōu)搭接距離。為了提高生產(chǎn)效率，Xiong等人［64］通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型可快速計算不同工藝參數(shù)下的焊縫熔寬及余高，熔寬可用于計算最優(yōu)搭接距離，余高可用于計算最佳分層高度。統(tǒng)一的工藝參數(shù)適用于部分形狀簡單的零件，而對于一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的零件而言，根據(jù)幾何特征實時改變參數(shù)打印可能會獲得更好的成形質(zhì)量。Li等人［65］提出一種基于B樣條曲線的工藝參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整的打印方法，可以有效避免拐角處產(chǎn)生過多的材料堆積，消除高度差，提高整體成形精度。Lam等人［66］提出一種不同傾斜角度下的懸垂結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)自適應(yīng)控制成形策略，通過計算不同高度層切片輪廓懸空長度，然后與不同角度最優(yōu)成形參數(shù)建立映射關(guān)系，從而提高成形質(zhì)量。Ma等人［67-68］通過自適應(yīng)參數(shù)控制實現(xiàn)同一焊縫變寬度連續(xù)成形，可根據(jù)薄壁結(jié)構(gòu)的幾何尺寸自動確定最佳工藝參數(shù)，并提出一種局部銑削的復(fù)合加工策略，及時去除路徑交叉搭接處與連續(xù)沉積部分的高度差成形缺陷，提高成形質(zhì)量。王天琪等人［69］分析了桁架結(jié)構(gòu)電弧成形過程的受力情況，通過優(yōu)化逐點(diǎn)添加成形桁架結(jié)構(gòu)工藝參數(shù)，有效解決了下塌、溶滴流淌等問題，可實現(xiàn)復(fù)雜立體特征桁架結(jié)構(gòu)的精確成形，如圖8所示。

圖8 工藝參數(shù)控制方法Fig.8 Process parameter control method

通過探索多種工藝參數(shù)對薄壁及多層多道類零件成形質(zhì)量的影響，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型、多參數(shù)優(yōu)化模型等實現(xiàn)多工藝、多材料、多參數(shù)下最佳工藝窗口的快速確定，并結(jié)合工藝參數(shù)自適應(yīng)控制、成形過程閉環(huán)控制、混合加工等方式，消除了表面及內(nèi)部缺陷對成形質(zhì)量及性能的影響，滿足中/大型金屬零件的高性能制造。

3 總結(jié)與展望

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者在大型金屬零件的電弧增材制造領(lǐng)域開展了大量研究，取得了許多高價值研究成果。多種切片及路徑規(guī)劃方法顯著提高了電弧增材制造對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造能力，通過匹配最佳工藝參數(shù)及過程控制提高了零件的表面質(zhì)量及成形精度，增等減復(fù)合制造裝備則提升了大型零件的高精度、高性能一體化快速成形能力。為了提升電弧增材制造裝備及工藝控制的智能化水平，應(yīng)當(dāng)從以下幾個方面繼續(xù)展開探索：

（1）成形軌跡智能在線動態(tài)規(guī)劃。現(xiàn)階段切片及路徑規(guī)劃多采用離線軟件，而電弧增材制造成形過程復(fù)雜，多采用手動方式調(diào)整打印層厚以提高成形質(zhì)量，有必要開發(fā)在線動態(tài)路徑規(guī)劃軟件，自動調(diào)整打印層厚、智能選擇最優(yōu)路徑規(guī)劃方法，從而提高裝備的自動化、智能化水平。

（2）多機(jī)器協(xié)同實現(xiàn)大/超大型金屬零件制造。電弧增材裝備因設(shè)備簡易，故成形尺寸不受限制。但是針對超大型零件而言，多機(jī)器人智能協(xié)同控制算法、面向性能的分區(qū)分形路徑規(guī)劃及制造過程在線監(jiān)控極為關(guān)鍵。

（3）人工智能輔助工藝規(guī)劃。電弧增材制造過程涉及大量工藝參數(shù)，其與表面質(zhì)量、成形精度、微觀組織、機(jī)械性能等存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，有必要通過大數(shù)據(jù)、智能算法輔助工藝參數(shù)開發(fā)，建立多元信息融合的協(xié)同優(yōu)化模型，實現(xiàn)大型金屬零件的高性能制造。

（4）嚴(yán)苛服役環(huán)境下金屬零件高性能制造。對于水下、太空、戰(zhàn)場等極端環(huán)境，電弧增材制造過程中的微觀組織演變、缺陷衍生與工藝參數(shù)、環(huán)境因素之間的關(guān)系更加復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)積極探索眾多因素之間的關(guān)系，為極端環(huán)境下零件的高性能制造奠定基礎(chǔ)。