航天三院 ：激光增材制造在航天領域的實踐與展望

來源：中國激光

航天活動是飛行器在卡門線（位于海拔80 km或100 km處）以上、太陽系以內(nèi)的航行活動，展示了人類探索、利用和治理太空的能力，同時具有前沿引領性和產(chǎn)業(yè)推動性。航天裝備（包括運載器、衛(wèi)星、深空探測器等空間飛行器及相關地面設備）體現(xiàn)了國家航天能力，是國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。隨著航天任務從近地軌道向深空探索、從單一任務向多樣化任務的轉變，航天裝備正朝著大型化和重型化、精密化和小型化、高性能和獨特性等方向發(fā)展，推動航天構件結構走向大尺寸、精細化和異形復雜化，材料走向高性能化。然而，航天構件的生產(chǎn)面臨著制造極限結構和復雜結構的挑戰(zhàn)，以及高性能材料加工的難題。

增材制造技術具有一體化成形和制造自由度高等特點，在處理難加工材料和制造復雜及異型結構方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為航天領域先進構件的高質量制造提供了有效的解決方案。此外，增材制造技術的高柔性和高研產(chǎn)效率使其能夠滿足航天構件多品種、小批量的生產(chǎn)需求，以及快速響應任務的需求，成為航天產(chǎn)業(yè)轉型升級的關鍵技術。根據(jù)熱源種類，增材制造技術主要分為電弧增材制造（WAAM）、電子束增材制造（EBAM）和激光增材制造（LAM）三種類型。電弧增材制造具有毫米級的光斑直徑，其沉積效率高，絲材利用率也高，但成形精度相對較低（大約在百微米級別）。在高速運動中，電弧的穩(wěn)定性較差，容易導致熔池失穩(wěn)，增加了成形的難度。電子束增材制造則具有百微米級的光斑半徑，其沉積效率雖低于電弧增材制造，但成形精度較高，可達到0.13 μm。激光增材制造技術中的光斑半徑通常在10 μm級別，雖然沉積效率相對較低，但其成形精度非常高，可以達到0.02 μm。激光增材制造技術因其能量控制精確和熱輸入小，尤其適用于復雜航天構件的精密成形，因此在航天領域中的應用最為廣泛。

激光增材制造技術在航天領域中的工程化應用程度取決于工藝、裝備和產(chǎn)線的綜合發(fā)展。工藝是確保航天構件高質量制造的核心，裝備是實現(xiàn)激光增材制造工藝的硬件基礎，產(chǎn)線則是推動批量化、高質量生產(chǎn)的平臺。在航天激光增材制造工藝方面，中國和美國都是應用較早的國家。例如，2012年，美國國家航空航天局（NASA）使用激光增材制造技術制造了RS-25火箭發(fā)動機的彎曲接頭。2013年，中國航天科工集團（CASIC）開始在航天領域中布局激光增材制造技術的應用，2015年，其下屬的航天增材科技（北京）有限公司成功將激光增材制造技術應用于高溫構件的制造。隨著科研人員的深入研究，激光增材制造工藝逐漸被應用于更復雜、更大型的航天構件。例如，Terran-1火箭的9個發(fā)動機燃燒室均采用了激光增材制造技術，長征五號火箭的米級芯級捆綁支座實現(xiàn)了全激光增材制造。在航天激光增材制造裝備方面，裝備正朝著大型化和精密制造的方向發(fā)展。國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出成形尺寸達到米級的激光選區(qū)熔化裝備，并且基于增減材復合技術的激光熔化沉積裝備的制造精度已經(jīng)達到了微米級別。在增材制造產(chǎn)線方面，隨著規(guī)?；a(chǎn)需求的增加，人們對航天構件生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求，增材制造產(chǎn)線向智能化方向發(fā)展。2017年，德國EOS公司啟動了增材制造智能產(chǎn)線的建設，實現(xiàn)了準備過程與制造過程的并行化。2020年，筆者團隊進行了增材制造智能產(chǎn)線的論證和建設，目前該產(chǎn)線已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化全覆蓋。


在航天領域需求的推動下，激光增材制造技術在工藝、裝備和產(chǎn)線方面都呈現(xiàn)出快速發(fā)展態(tài)勢。本文基于航天構件的發(fā)展趨勢，探討了激光增材制造在高質量制造、裝備大型化以及產(chǎn)線智能化方面取得的進展，并對航天領域中的激光增材制造工藝（面向新型高溫材料的增材制造工藝、極限輕量化制造工藝和多功能一體化制造工藝）、裝備（常規(guī)大型化裝備和飛行打印裝備）、產(chǎn)線（自動控制和在線檢測、虛實融合、自決策）的發(fā)展方向進行了展望。

航天激光增材制造工藝的應用
激光增材制造技術在激光與局部原料的相互作用下，具有瞬時高能的特點，可制備有利于提高力學性能的多層級微觀結構。然而，這一過程中也可能產(chǎn)生如未熔合、匙孔、裂紋、球化等工藝缺陷（圖1）。在航天激光增材制造中，通過精確調控工藝參數(shù)來控制這些缺陷和成形精度，以確保制備出的航天構件滿足產(chǎn)品的性能和形貌指標要求。航天構件的幾何特征精度受到原材料尺寸和工藝參數(shù)的共同影響。例如，使用大粒徑的粉末原料或高能量密度的工藝參數(shù)可能會增加熔池尺寸，從而在一定程度上降低構件的尺寸精度。在材料確定的情況下，航天構件的性能和缺陷調控程度相關且主要受工藝參數(shù)的影響，如掃描間距、層厚、功率和掃描速度等。當掃描間距和層厚過大（通常對應低能量密度）時，相鄰熔池可能無法充分重疊，導致未熔合缺陷的產(chǎn)生。在高功率和小掃描速度的條件下，金屬的快速蒸發(fā)產(chǎn)生的強反沖壓力可能會推動熔化液體，從而形成深而窄的匙孔。高掃描速度可能導致熔池變長，而在Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性效應下，熔化軌跡容易間斷，從而產(chǎn)生球化缺陷。航天增材制造工藝不僅需要在幾何維度進行精準調控，還需要在性能維度進行精準調控。這是一個通過參數(shù)權衡來實現(xiàn)航天構件幾何特征和性能同步精確制造的過程。下文將以航天構件的三種典型結構（表1）——大型整體結構、輕量化結構、結構功能一體化結構為例，介紹激光增材制造工藝在航天領域中的應用情況。

圖 1  激光增材制造過程示意圖及缺陷

（a）激光與原料的作用過程；（b）未熔合缺陷；（c）匙孔缺陷；（d）裂紋缺陷；（e）非連續(xù)熔池；（f）球化

表 1 典型航天構件

1　輕量化結構的激光增材制造
輕量化是航天構件設計中的一個重要目標。在航天領域，翼舵、支架等構件通過采用格點填充結構來實現(xiàn)輕量化，它們是輕量化結構的典型代表。
以翼舵為例，它是控制航天器飛行姿態(tài)的關鍵部件。翼舵的設計通常包括外部的薄壁蒙皮和內(nèi)部的蜂窩或點陣構型填充（圖2），主要使用鈦合金或高溫合金材料。通過激光增材制造技術，可以實現(xiàn)翼舵的一體化成形，減少中間工序，提高生產(chǎn)效率，并且減少機加工量。此外，激光增材制造技術能夠制造傳統(tǒng)工藝難以制備的復雜結構（如點陣結構），有效降低了翼舵的質量系數(shù)。然而，激光增材制造翼舵目前面臨兩個主要的工藝挑戰(zhàn)：首先，翼舵的大展弦比結構特性導致其在一體化成形過程中容易產(chǎn)生較大的變形；其次，翼舵的細觀結構（如薄壁、細桿、中空構型）與大尺寸蒙皮的多尺度協(xié)同制造增加了制造難度。為了解決這些問題，筆者所在的團隊采用了應力離散控制策略，并結合跨尺度仿真變形預測技術，成功實現(xiàn)了復雜點陣翼舵和蜂窩翼舵的高精度一體化成形。其中，蒙皮的最薄壁厚可達到0.8 mm，尺寸型面變形控制在±0.3 mm以內(nèi)。目前，由筆者團隊制備的激光增材制造翼舵已經(jīng)在多款航天裝備中得到應用。

圖 2 翼舵展示圖

（a）點陣翼舵整體形貌；（b）點陣翼舵點陣構型；（c）蜂窩翼舵整體形貌；（d）蜂窩翼舵蜂窩構型

在航天裝備的設計中，支架的輕量化同樣是一個重要的需求。激光增材制造技術使得一些傳統(tǒng)制造方法難以實現(xiàn)的復雜支架結構成為可能（圖3）。然而，增材制造過程中的幾何約束有時會限制支架的實際性能，使其無法完全達到設計預期。為了克服這一挑戰(zhàn)，中國航天科技集團有限公司中國空間技術研究院與南京航空航天大學、北京理工大學合作，共同設計了一款面向增材制造的自支撐晶格單元。這一研究成果已經(jīng)被成功應用于中巴地球資源衛(wèi)星04A星的動量輪支架中。

圖 3  支架展示圖

（a）動量輪支架；（b）Sentinel-1天線支架

2　結構功能一體化結構的激光增材制造
結構功能一體化是航天構件發(fā)展的重要趨勢，其中艙段和發(fā)動機是結構功能一體化構件的典型代表。
以艙段為例，艙段是航天器中關鍵的耐溫結構件，負責承載。艙段的外形通常為回轉體或異形（圖4），根據(jù)功能需求和工作環(huán)境的不同，可以選擇鋁合金、鈦合金或高溫合金作為材料。艙段之間的連接通常采用焊接或螺接的方式。與傳統(tǒng)的鑄造配合機加的方法相比，激光增材制造技術在控制艙段壁厚上具有優(yōu)勢，壁厚控制精度保持在±0.1 mm以內(nèi)，基本滿足艙段結構的壁厚控制要求。對于異形艙段結構，激光增材制造技術還能顯著減少專用鑄造模具的制造周期和成本。然而，激光增材制造艙段也面臨著一些工藝挑戰(zhàn)：艙段是承載構件，對缺陷的敏感性較高，因此對工藝調控缺陷的精度要求也很高。主動冷卻艙段內(nèi)部的流道密集，且對流道表面質量有很高的要求，這增加了對激光增材制造工藝精細調控的需求。細觀尺度流道的成形與米級尺度構件變形精度的協(xié)同控制難度較大。為了解決這些問題，筆者所在的團隊結合移動激光的高斯光源特性與優(yōu)選熔池形貌，提出了一種融合激光屬性、材料物理特性（如熔點、導熱率等）與工藝參數(shù)的低應力無缺陷參數(shù)優(yōu)化策略。通過這種策略，實現(xiàn)了微觀缺陷的精細調控，完成了極限結構的高質量快速制造。

圖 4 艙段展示圖

（a）桶狀艙段；（b）異形艙段

發(fā)動機是航天裝備中提供動力的關鍵部件，其結構和功能一體化的特性使其在設計和制造上具有高度復雜性和精密性。發(fā)動機通常具有多行面、多腔道，其結構復雜且精密（圖5），主要使用高溫合金和鈦合金等材料。中國航天科技集團有限公司第六研究院（航天六院）采用激光增材制造技術對發(fā)動機推力室隔板加強肋的工藝進行了改進，成功解決了傳統(tǒng)熔模鑄造因結構限制而出現(xiàn)的低合格率問題，將產(chǎn)品合格率從不超過20%提升到了98%。這款激光增材制造工藝改進的發(fā)動機已經(jīng)被應用在長征二號F遙十二運載火箭上。此外，航天六院還利用激光增材制造技術實現(xiàn)了結構優(yōu)化和緊湊設計的著陸巡視器主發(fā)動機的制備。與原發(fā)動機相比，新發(fā)動機的體積和重量減少了2/3，這一改進的發(fā)動機已經(jīng)在天問一號探測任務中得到應用。中國航天科工集團第三研究院31所也基于激光增材制造技術，成功突破了復雜結構發(fā)動機的設計難題，并實現(xiàn)了集成一體化制造，使得發(fā)動機的承載和供油等功能得以一體化 。

圖 5 激光增材制造發(fā)動機

3　大型整體結構 激光增材制造
大型化和整體化是航天構件發(fā)展的關鍵趨勢，其中框梁類構件是大型整體航天結構的典型代表。作為主要的承力結構，框梁通常采用壁板加筋的構型，具有較大的外形尺寸（通常達到米級），而相對于其整體尺寸，其構件的厚度則相對較?。ㄔ诎俸撩准墑e）。由于框梁類構件對比強度有較高的要求，鈦合金是這類構件常用的材料。

與傳統(tǒng)的鑄造或鍛造成形工藝相比，激光增材制造技術避免了鑄鍛造模具的生產(chǎn)，從而縮短了研發(fā)周期。此外，框梁的整體結構方案在研制過程中可能需要根據(jù)計算結果進行優(yōu)化和更新，激光增材制造技術能夠有效避免鑄造和鍛造模具投產(chǎn)后可能出現(xiàn)的資源浪費。同時，激光增材制造的框梁在性能上能夠達到甚至超過傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法制造的構件。然而，激光增材制造大型框梁構件仍然面臨著一些工藝挑戰(zhàn)。在制造大型構件時，通常需要經(jīng)歷長時間的非穩(wěn)態(tài)快速加熱和冷卻循環(huán)，因此難以保持整個制造過程的穩(wěn)定性。同時，由于大型構件的溫度梯度較大，收縮凝固應力和熱應力等應力環(huán)境復雜，因此這些構件在制造過程中容易出現(xiàn)變形和開裂的問題。

筆者所在的團隊針對大型構件在激光增材制造過程中可能出現(xiàn)的變形問題，采取了一系列措施，包括變形行為預測、變形補償策略、模型結構優(yōu)化以及精細熱處理等，以協(xié)同抑制框梁的變形和開裂傾向。通過這些方法，我們成功制備了大尺寸的鈦合金框梁，并實現(xiàn)了米級主梁結構的一體化成形。在中國航天科技集團有限公司第五研究院（航天五院）新一代載人飛船試驗船的研制過程中，團隊解決了大尺寸激光增材制造中的冶金缺陷和變形問題，成功制造了4 m超大尺寸的整體鈦合金防熱大底框架。這一成果不僅保證了制造的高質量，還實現(xiàn)了高效和低成本的生產(chǎn)（圖6）。此外，中國航天科技集團有限公司第一研究院（航天一院）采用了“分離-拼接”策略，將保護板分解為50個尺寸為370 mm×100 mm×125 mm的部件，通過激光增材制造技術分別制造后再進行拼接。這種方法使得直徑達到5 m的級間解鎖裝置保護板得以成功制備，并已經(jīng)應用在長征五號運載火箭上。

圖 6  返回艙防熱大底框架展示圖

（a）返回艙防熱大底框架示意圖；（b）返回艙防熱大底框架實物圖

航天激光增材制造裝備
激光增材制造裝備是集成了光學、電路電子、機械工程、信息技術、軟件工程等先進技術的光機電一體化智能設備，它們是實現(xiàn)航天構件高質量成形的基礎。激光增材制造裝備主要分為兩大類：以鋪粉為特征的激光選區(qū)熔化裝備和以送粉（或送絲）為特征的激光熔化沉積裝備。激光選區(qū)熔化裝備以其高成形精度著稱，特別適用于制備航天構件中的復雜精細結構，如拓撲優(yōu)化的點陣結構和內(nèi)部流道等。而激光熔化沉積裝備則以其高成形效率見長，盡管成形精度相對較低，但通過后續(xù)的精加工處理，它們適用于制造大型的航天構件，如框梁結構。這兩種激光增材制造裝備各有優(yōu)勢，互為補充，并得到了廣泛的應用。隨著激光增材制造技術在航天領域中的應用不斷深入，構件尺寸不斷增大，航天激光增材制造裝備大型化發(fā)展的需求日益迫切。

1　航天激光選區(qū)熔化裝備
激光選區(qū)熔化裝備利用掃描振鏡引導激光，按照軟件規(guī)劃的路徑熔化粉末，從而實現(xiàn)構件的成形（圖7）。在這一過程中，聚焦光學系統(tǒng)是決定裝備成形幅面大小的關鍵因素。為了實現(xiàn)大幅面且高質量的成形目標，通常采取場鏡焦距增長、振鏡移動、多光束拼接等方式。這些方法的應用，使得激光選區(qū)熔化裝備能夠面向大型航天構件的制造需求，進行研發(fā)和生產(chǎn)。

圖 7  激光選區(qū)熔化裝備工作圖

1.1　場鏡長焦距化
激光掃描幅面由焦距f與振鏡擺動角度θ共同決定：

式中：l為掃描范圍邊長（圖8）?；趌與f的正比關系，可通過增大焦距的方式實現(xiàn)裝備幅面范圍的擴大。然而，場鏡焦距的增長會導致光斑增大，進而導致激光功率密度下降。為了補償這種功率密度的損失，通常需要提升激光器的輸出功率。2013年，德國EOS公司推出了一款基于場鏡長焦距法的大尺寸選區(qū)激光增材裝備M400。該裝備配備了1000 W的激光器，成形尺寸達到了400mm×400mm×400mm。但是，這種方法由于大光斑的存在，可能會出現(xiàn)成形精度的下降，裝備的尺寸受到限制。

圖 8 場鏡幅面示意圖

1.2　振鏡移動
通過控制掃描振鏡的分區(qū)移動，可以有效地擴展投影區(qū)域，從而實現(xiàn)大幅面激光增材制造裝備的設計（圖9）。2015年，上海航天設備制造總廠有限公司利用這種方法開發(fā)了一種單激光大幅面振鏡移動增材制造裝置，成功地將激光選區(qū)熔化裝備的加工幅面擴大到500 mm×500 mm以上。盡管從理論上講，這種方法可以將加工幅面無限擴大，但在實際操作中，如果幅面過大，可能會遇到一些問題。例如，單光束在同一掃描層的不同位置進行熔化時，熔化時間的差異較大，可能會導致幅面溫度場的不均勻性，從而增加出現(xiàn)變形和裂紋的風險。此外，單光束成形過程中振鏡的響應和移動速度相對較慢，這也限制了大型構件的成形效率。

圖 9  移動振鏡擴展成形幅面示意圖

1.3　多光束拼接
增加激光器和振鏡的數(shù)量，并使它們協(xié)同工作，分區(qū)域同時進行工作，可以顯著擴大成形幅面、提高成形效率，并在一定程度上確保同一掃描層中溫度場的均勻性（圖10）。華中科技大學武漢光電國家研究中心率先提出了多光束拼接大型激光選區(qū)熔化裝備的理念，并在2014年開發(fā)出了國際上首臺大尺寸4光束激光選區(qū)熔化成形裝備，其成形尺寸為500mm×500mm×530mm?；谶@一方法，2023年，筆者所在的團隊開發(fā)出了成形尺寸為1200mm×600mm×1500mm的大尺寸8光束激光選區(qū)熔化裝備。多光束拼接技術已成為設計大尺寸激光選區(qū)熔化裝備的主流技術，包括鉑力特、華曙高科、EOS、GE Additive等公司都采用這種方法來研制多款大尺寸裝備（表2）。然而，多激光拼接成形裝備的設計并非僅僅是增加激光器和掃描振鏡數(shù)量那么簡單。在成形過程中，激光質量、功率密度、拼接區(qū)域以及跳轉性能的一致性是主要的技術挑戰(zhàn)。此外，多激光拼接的穩(wěn)定性（例如長時間工作下掃描振鏡的溫度漂移、機械結構的穩(wěn)定性）也直接影響到構件的成形質量。華曙高科開發(fā)了一種多激光搭接校正系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先使用膠皮檢測板獲取激光掃描圖像的交叉點和中心點圖形，然后通過校正裝置拍攝檢測板圖形，以獲取搭接區(qū)的偏差角度、漲縮比例、偏移量等信息。這種方法操作簡單，調試周期短。盡管如此，多激光拼接的穩(wěn)定性問題尚未得到根本解決。同時，為了獲得更大的成形幅面和更高的成形率而增加光學系統(tǒng)數(shù)量，也帶來了新的挑戰(zhàn)，如更多激光同時燒結產(chǎn)生的大量煙塵顆粒增加了風場穩(wěn)定性的保持難度，以及光學系統(tǒng)數(shù)量的增加導致系統(tǒng)控制和軟件開發(fā)的難度增大。

圖 10  多光束拼接展示圖

（a）多光束擴展成形幅面示意圖；（b）原理圖

表 2  大型激光選區(qū)熔化裝備

1.4　多光束拼接結合振鏡移動
結合多激光拼接策略與振鏡協(xié)同激光同步運動策略，可以在一定程度上同時確保成形質量和成形效率。2017年，弗勞恩霍夫激光技術研究所集成了5個激光掃描系統(tǒng)，將多光束拼接技術與振鏡移動相結合，提出了一種幅面可擴展的激光粉末床熔融裝備的概念，這種裝備在國內(nèi)被稱為飛行打印。該裝備的成形尺寸為1000mm×800mm×500mm。目前，飛行打印技術正處于快速發(fā)展階段，但同時也面臨著一些挑戰(zhàn)：與多光束拼接和振鏡移動的激光選區(qū)熔化裝備相比，飛行打印裝備的結構更為復雜，這增加了保持系統(tǒng)可靠性的難度。光學系統(tǒng)的高集成化要求在運動過程中對光學、監(jiān)控等系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性進行精確控制，這在技術上具有較大的挑戰(zhàn)性。

2　航天激光熔化沉積裝備
激光熔化沉積裝備是由激光器、送粉（或送絲）器、送粉（或送絲）噴嘴、數(shù)控工作臺以及其他輔助裝置共同構成的。在這一過程中，激光器發(fā)出的激光通過噴嘴聚焦，作用于工作臺面上的原料，使得原料逐層熔化并冷卻，最終堆積形成三維構件（圖11）。激光熔化沉積裝備通常使用的激光器類型包括光纖連續(xù)激光器和Nd脈沖激光器，這些激光器能夠提供千瓦級以上的功率，非常適用于大型構件的快速制造以及構件表面的修復。為了滿足大尺寸精密成形的需求，激光熔化沉積裝備通常采用以下幾種方式進行操作：光束運動、光束運動配合加工平臺運動以及增減材一體化。

圖 11  激光熔化沉積裝備示意圖

2.1　光束運動
裝備的加工平臺需要與導光系統(tǒng)和激光系統(tǒng)相匹配，以實現(xiàn)高效的激光熔化沉積過程。柔性較高的光纖激光器通常與普通加工機床或智能機械手結合，組成柔性激光熔化沉積平臺（圖12）。在這樣的系統(tǒng)中，激光工作頭被安裝在機械手的末端，機械手通過其手臂在工作空間中的移動來執(zhí)行作業(yè)任務。用于激光加工的機械手臂通常具備至少6個自由度，其中三個用于確定激光工作頭的精確位置，另外三個用于調整激光工作頭的姿態(tài)。根據(jù)機械手臂的工作空間和運動方式，它們可以分為四種基本類型：直角坐標、球坐標、圓柱坐標和類人臂關節(jié)坐標。此外，為了擴大工作范圍，機械手臂的機座可以安裝在移動機構上。例如，庫卡公司與弗勞恩霍夫激光技術研究所合作開發(fā)的基于機械臂的增材制造系統(tǒng)，證明了機械臂在實現(xiàn)光束運動方面的可行性。在這種系統(tǒng)中，機械手臂的最大可達距離可以根據(jù)激光加工作業(yè)的具體要求進行調整。

圖 12  配以機械手的激光熔化沉積裝備

2.2　光束運動配合工件運動
由于導光系統(tǒng)的柔性限制，Nd∶YAG激光器通常與多軸數(shù)控機床加工平臺配合使用，以實現(xiàn)光束與加工工件之間的相對運動。與傳統(tǒng)的機床相比，多軸數(shù)控機床能夠進行多坐標軸的聯(lián)動操作，這使得它們能夠制造形狀復雜的零件，同時保持高加工精度和穩(wěn)定的加工質量。常見的多軸數(shù)控機床除了X、Y、Z三個直線運動坐標外，通常還包含一到兩個回轉運動軸坐標。與光纖激光器配合機器人的打印形式相比，配備多軸數(shù)控機床的激光熔化沉積裝備在制造復雜零件的能力和加工精度方面通常具有更高的性能。然而，這種高性能也意味著更高的成本。例如，美國Optomec公司開發(fā)的LENS850-R激光熔化沉積裝備，就配備了5軸移動工作臺，能夠實現(xiàn)900mm×1500mm×900mm的成形尺寸。

2.3　增減材復合成形
多軸數(shù)控機床與聯(lián)動銑削床的結合，構成了實現(xiàn)增減材復合制造的混合加工機床，這是制造增減材復合裝備的常用方案。在傳統(tǒng)的激光熔化沉積增減材復合裝備中，通常采用三軸數(shù)控平臺作為輔助，但三軸平臺的自由度限制了其在增材階段制造復雜零件的能力，可能導致零件輪廓出現(xiàn)臺階效應；在減材階段，也難以實現(xiàn)復雜形狀的高精度修整。目前，以5軸聯(lián)動系統(tǒng)為平臺，并與同軸激光熔覆系統(tǒng)和銑削系統(tǒng)相結合的設計方式，正成為增減材復合裝備的發(fā)展趨勢（圖13）。在這種設計中，5軸控制的激光熔化沉積過程之后，可以利用安裝在機械手上的銑削刀具進行五軸銑削減材加工。隨后，再進行激光熔覆增材，形成增減材加工的循環(huán)。

圖 13  激光五軸增減材原理圖

2013年，德國DMG MORI公司將5軸噴粉堆焊技術和5軸聯(lián)動銑削加工技術相結合，推出了全球首臺具備增減材復合制造功能的機床。這一創(chuàng)新產(chǎn)品名為Lasertec 65 3D Hybrid，它實現(xiàn)了增材制造與銑削加工的復合。近年來，中國的國家增材制造創(chuàng)新中心基于搖籃+轉臺的五軸布局形式，成功實現(xiàn)了增材成形與減材加工工序的靈活切換。他們自主研發(fā)了LMDH系列五軸激光增減材制造裝備，借助精度在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了“加工-測量-補償”的閉環(huán)制造流程。

激光增材制造產(chǎn)線
隨著航天構件從研制階段過渡到多件生產(chǎn)，激光增材制造技術面臨著提升生產(chǎn)效率和確保產(chǎn)品質量一致性的雙重挑戰(zhàn)。激光增材制造智能產(chǎn)線憑借其連續(xù)生產(chǎn)的能力、全過程的質量可追溯性以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的透明化管理，為航天構件的高效、高質量和穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有效的解決方案。本部分將關注激光增材制造中多件生產(chǎn)面臨的問題，闡述增材制造產(chǎn)線建設的著力點，并對產(chǎn)線建設成果進行介紹。

1　激光增材制造中多件生產(chǎn)面臨的問題
4.1.1　單機激光增材制造裝備的有效利用率低
激光增材制造的生產(chǎn)流程通常包括以下幾個關鍵步驟：打印前的準備工作（包括粉末的上下料、基板的準備、缸體的準備以及設備的準備）、打印過程本身（即打印制造階段），以及打印后的處理工作（包括缸體的降溫和清粉、基板的拆卸以及物流周轉等）。在采用離散式單機激光增材制造裝備的情況下，打印前的準備和打印后的處理所花費的時間在整個生產(chǎn)過程中占據(jù)了50%以上的比例，這導致設備的投產(chǎn)比相對較低。

1.2　激光增材制造中生產(chǎn)過程的自動化程度低
目前，激光增材制造的自動化主要集中在打印制造環(huán)節(jié)，而打印前的準備和打印后的處理過程仍然主要依賴人工操作。在打印準備階段，包括粉末的供應、基板的搬運與安裝、缸體的準備以及基板的固定等步驟，通常需要人工介入。同樣，在打印后處理階段，如缸體內(nèi)粉末的清理、帶基板的零件轉運、基板與缸體的分離以及零件的轉運等，也大多采用人工作業(yè)。這種手工操作的工序類型繁多且復雜，不僅增加了產(chǎn)品的質量風險，而且隨著人工成本和管理成本的上升，整體的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益受到影響。

1.3　激光增材制造中生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集不足，數(shù)據(jù)價值低，質量追溯難
在激光增材制造的生產(chǎn)過程中，目前主要依賴手工記錄數(shù)據(jù)，這導致數(shù)據(jù)的完整性和可靠性難以得到保證，同時也無法滿足設備高可靠性連續(xù)運行的需求。由于無法實時獲取設備的運行狀態(tài)、零件打印過程中的狀態(tài)、生產(chǎn)環(huán)境、能耗、物料庫存、異常問題等關鍵信息，因此生產(chǎn)過程中存在信息管理的盲區(qū)，難以對問題進行快速響應，也影響了對產(chǎn)品質量問題和生產(chǎn)過程信息的追溯。

1.4　激光增材制造中生產(chǎn)缺乏數(shù)字化管控系統(tǒng)
航天構件的制造需求通常表現(xiàn)為多品種、小批量的特點，這使得生產(chǎn)計劃安排（簡稱排產(chǎn)）變得復雜和困難。在激光增材制造領域，排產(chǎn)、生產(chǎn)、物流等環(huán)節(jié)的協(xié)同性不足，數(shù)據(jù)的透明度低，這些因素都不利于快速響應生產(chǎn)過程中的變化。盡管一些增材制造企業(yè)已經(jīng)建立了通用的制造執(zhí)行系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)大多僅實現(xiàn)了單機設備的信息聯(lián)通，還未能實現(xiàn)對增材制造設備資源和生產(chǎn)過程的全面控制。

2　激光增材制造智能產(chǎn)線的建設舉措
目前增材制造產(chǎn)線的建設處于初級階段，國內(nèi)外官方公開的資料較少，本部分以筆者團隊建設經(jīng)驗（圖14）為基礎，闡述激光增材制造產(chǎn)線建設方面的著力點。

圖 14 增材制造示范產(chǎn)線布局圖

2.1　基于連續(xù)生產(chǎn)的增材制造產(chǎn)線場景，實現(xiàn)產(chǎn)線全流程自動化運行
為了解決增材制造在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中自動化程度低的問題，筆者所在的團隊進行了一系列的研究和開發(fā)工作，旨在實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的增材制造產(chǎn)線。我們的主要工作包括：多缸體系統(tǒng)的開發(fā)、粉末自適應供應循環(huán)系統(tǒng)的建立、自動化清粉和基板緊松螺釘系統(tǒng)的開發(fā)、自動化物流裝備技術的集成、增材制造產(chǎn)線成套裝備的構建。通過這些技術的開發(fā)和集成，我們成功實現(xiàn)了增材制造產(chǎn)線的全流程自動化運行。

2.2　建立激光增材制造大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)關鍵生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集
為了解決傳統(tǒng)激光增材制造中數(shù)據(jù)價值低和產(chǎn)品質量難以追溯的問題，我們建立了一個多平臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)的采集以及不同系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互通與集成。具體措施包括：利用5G物聯(lián)網(wǎng)關技術，實現(xiàn)對增材制造設備數(shù)據(jù)的快速、安全采集；通過平臺的集成能力，將采集到的設備數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質量控制系統(tǒng)等進行集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應用；開發(fā)智能監(jiān)控系統(tǒng)，對產(chǎn)線狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并能夠智能識別和跟蹤異常問題，為快速響應和問題解決提供支持。

2.3　激光增材制造產(chǎn)線的協(xié)同控制
為了提高激光增材制造生產(chǎn)過程的數(shù)字化管理水平，我們采用5G和移動邊緣計算技術，開發(fā)了一種基于任務驅動的增材制造產(chǎn)線協(xié)同控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠實現(xiàn)以下幾個關鍵功能：智能生產(chǎn)調度與排產(chǎn)，訂單任務追蹤，生產(chǎn)過程實時狀態(tài)監(jiān)測與反饋，物料的高效、精準配送，智能排產(chǎn)、生產(chǎn)、質量檢測及智能物流。我們還利用5G邊緣計算、云計算和數(shù)據(jù)分析技術，建立了激光增材制造產(chǎn)線裝備的異常模型，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的深入分析和自主決策。

3　激光增材制造智能產(chǎn)線應用實踐
2022年，筆者團隊成功構建了國內(nèi)首條基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術的激光增材制造智能生產(chǎn)線（圖15），并選擇翼舵構件作為典型的應用對象，完成了批量生產(chǎn)的應用驗證。這條智能生產(chǎn)線的實施帶來了顯著的效益：設備利用率提升了30%，生產(chǎn)運行成本降低了40%，設備故障率降低了65%，生產(chǎn)過程等待時間縮短了40%。由于這些成就，我們團隊的項目“基于5G+工業(yè)互聯(lián)的增材制造產(chǎn)線及在航天高端裝備中的應用” 入選2023年中國智能制造十大科技進展。

圖 15  增材制造生產(chǎn)線示范

結束語
中國航天事業(yè)的快速發(fā)展正推動著航天構件向更高性能、更多功能和更大規(guī)模的方向發(fā)展。為了適應這一趨勢，我們需要進一步挖掘激光增材制造技術的潛力，持續(xù)為航天事業(yè)提供強有力的技術支持。面對科技的最前沿和國家的重大需求，我們應該加強激光增材制造工藝突破、裝備研發(fā)和產(chǎn)線建設方面的協(xié)同攻關，并系統(tǒng)地規(guī)劃和推動激光增材制造技術在航天領域中的應用。

為了攻克激光增材制造技術在航天領域的核心技術難題，我們需要針對航天構件極端熱環(huán)境服役、極限減重以及高度功能集成的需求進行深入研究。以下是具體的研究方向和目標：

1） 專用高溫材料的開發(fā)。利用激光增材制造的成形特性，開展專用高溫材料的成分設計和基礎工藝研究，建立一個包含材料、工藝和性能的數(shù)據(jù)庫，從而開發(fā)出適用于激光增材制造工藝的新型高溫材料，并掌握控形控性的系統(tǒng)方法。

2） 極限輕量化結構的制造。針對極限減重的目標，研究基于激光增材制造技術的精細結構極限制造技術，包括變胞元密度的變幾何結構制備，以及輕量化結構的跨尺度制備工藝。這些研究將推動航天構件向更先進的結構設計方向發(fā)展。

3） 多功能一體化制造。研究多層級結構和多材料集成的激光增材制造工藝設計。通過跨尺度異質結構和異質材料的一體化成形工藝調控，實現(xiàn)航天構件在力學、熱學、振動、電學和磁學等不同功能上的集成。

針對航天領域激光增材制造高端裝備的研發(fā)需求，我們可以聚焦以下幾個關鍵技術領域進行攻關：

1） 大型化激光增材制造裝備。針對此類裝備，應重點研究大幅面風場控制技術，以確保打印過程中的穩(wěn)定性；同時，開發(fā)多光束拼接技術，以提高制造效率；此外，還需優(yōu)化Z軸工作穩(wěn)定性，以提升整體裝備的性能。

2） 飛行打印相關先進裝備。在這一領域，應致力于提高光學系統(tǒng)的控制精度和可靠性，以及監(jiān)控系統(tǒng)的精確性，確保打印過程的精確控制和實時監(jiān)控。

3） 五軸增減材復合裝備。對于這類裝備，研究重點應放在復合成形過程中的五軸運動軌跡控制上，以實現(xiàn)更復雜結構的精確制造。

為了滿足增材制造生產(chǎn)線的智能化需求，我們可以采取以下措施來建設高效的激光增材制造產(chǎn)線：

1） 自動控制與在線檢測。利用基于深度學習的機器視覺算法，實現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動控制，以及對打印產(chǎn)品缺陷的實時在線檢測，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

2） 數(shù)字孿生技術應用。通過數(shù)字孿生技術，將實體裝備在虛擬空間中進行映射，實現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真、流程優(yōu)化、產(chǎn)品改進、結果驗證以及多維監(jiān)測。這一過程有助于在虛擬環(huán)境中模擬和優(yōu)化生產(chǎn)流程，確保生產(chǎn)過程的高效和準確。

3） 人工智能技術融合。結合數(shù)字孿生過程中積累的大量數(shù)據(jù)，利用人工智能技術，使產(chǎn)線能夠實現(xiàn)自組織、自優(yōu)化、自適應和自調節(jié)。這樣的智能化產(chǎn)線具有為航天構件的生產(chǎn)提供輔助決策的能力，進一步提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。