天津鐳明激光葉洎沅：增材制造中的智能化應用

2020年8月20日-21日，中國增材制造產業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，中國增材制造產業(yè)聯盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△精合集團首席戰(zhàn)略官兼任天津鐳明激光科技有限公司總經理、上海模具技術協(xié)會副理事長葉洎沅發(fā)表《增材制造中的智能化應用》主題演講

以下是本場演講的現場速記，經大會組委會授權發(fā)布

葉洎沅：非常高興又一次來到蕪湖，以前也經常去繁昌，在坐的很多都是老朋友，今天非常高興給大家?guī)�來一個稍微不同的話題——《增材制造中的智能化應用》。
首先講一下鐳明激光現在在做的事，還有增材制造普遍面臨的質量與效率問題，如何通過智能化的手段以及智能化在其中發(fā)揮的價值。

鐳明激光是行業(yè)中的新兵，2017年在天津成立，今年是第三年，但是我們的母公司鑫精合在行業(yè)里算是老兵了，過去大量使用進口裝備進行軍工及民用行業(yè)的加工服務，現在隨著自己的裝備研發(fā)制造能力的提升，未來的產業(yè)化規(guī)模在成倍增長，短短兩年時間自己的裝備數量從0臺快速擴展到將近50臺，而且還在飛速的擴展中。目前鐳明激光主要做四塊業(yè)務：一塊是標準化增材制造裝備，從選區(qū)激光熔化（SLM）工藝到激光近凈成型（LENS）工藝，還有一個新興的業(yè)務是電弧增材（WAAM），我們在這方面投入大量人力物力進行裝備、材料和相關工藝研發(fā)已經取得非常多的成就，得到很多行業(yè)的實際應用；另外一塊業(yè)務是幫助用戶定制設備，標準化設備當然有它的用武之地，但是要想最大化發(fā)揮增材制造的價值一定要結合用戶的實際產品和它所用的材料和工藝，我們再進行裝備的定制，這個定制從尺寸、激光器、能量來源，甚至從工藝要進行定制化開發(fā)，幫助用戶最大化發(fā)揮增材制造的價值，這是我們認為未來的方向，也是我們現在非常重要的一塊業(yè)務；另外一塊涉及到材料、工藝相關開發(fā)以及裝備后期維護和售后服務。

我們的工藝分三大塊：一塊是選區(qū)激光熔化工藝，鐳明現在有三個型號的設備已經發(fā)布，其實還有很多設備沒有發(fā)布，但也在為中國的制造業(yè)提供服務，按照成型尺寸從小到大分別是LiM-X150A、LiM-X260A、LiM-X400A（如下圖），也可以從最底下的圖片看到成型尺寸的對比。

很多朋友還在關心增材制造的部件，我們現在很多部件已經進入到量產階段，這里展示的是三個部件（下圖），很遺憾不能說型號，我甚至不能說干什么的，但是這三個產品已經進入到非常大量的量產階段。

（上圖）最左邊的圖片是3根桿，其中最第三根桿是采用傳統(tǒng)工藝制造加工的，他是非常典型的需要分別加工然后進行焊接，上面有14個焊縫，你可以想象加工難度和合格率。通過運用增材制造技術對結構進行一體化設計，讓15個部件最后合成一個部件，然后增材制造進行打印。過去增材制造是采用進口設備來做，效果當然很好，但是不幸的是由于國外進口設備有各種限制導致我們一次只能做一個件，采用國產定制化裝備之后，我們一次可以做六個，這樣整個成形的合格率大幅度提升，同時材料利用率也提升了，最重要的是加工效率提升之后，整個單件成本顯著降低。（上圖）右邊這兩個部件也是現在兩個非常重要的量產部件，我們可以看到它通過在一板上打印多個的方式快速形成產能，同時提高結構經濟性。尤其像（上圖）最右邊的部件，我們公司在疫情期間所有設備滿足運行，60%的產能就是在生產這一個部件，你可以想象我們生產了多少個，而且最近客戶告訴我們你要把你的產能擴大5倍，就為這一個部件，要把我們的產能提高5倍。我們已經用事實證明3D打印線現在已經完全進入量產階段，而且批量化制造，需求越來越大。

激光近凈成型工藝，這是我們常見的裝備。激光近凈成型的特點就是產品結構差異很大，所以往往是結合客戶需求進行定制，所以我們可以從小到大從1.5米做到4.5米這樣的超大尺寸結構。

（上圖）這是今年大家可能聽說過的新聞，就是今年5月份空間站的返回艙成功返回地面，其中它的防熱大底就是采用激光近凈成型制造的結構，在五院的指導下我們完成了毛坯部分。

我們也在做電弧增材，我認為電弧增材是未來的重要趨勢，尤其在汽車這種民用行業(yè)做再制造的過程中將會有大量的應用，同時現在這個應用目前主要用在石油或者礦山機械以及水輪機、核電等領域，它使用金屬絲材加熱熔化，同時采用電弧作為能量來源，當然具體的電弧又分好幾種，從等離子焊到氬弧焊等各種工藝我們都進行了大量測試，可以根據用戶使用的材料不同開發(fā)特定工藝，而且因為使用的電弧作為能量來源加上絲材整個制造效果也是傳統(tǒng)激光近凈成型工藝的5倍以上，加工效率更高、成本還低，非常適用于將來民用領域增材制造的擴展，這方面我們今年也取得了一些突破。

回過頭來我們說一下增材制造中的質量與效率問題。

成功的故事在座的同行看到已經非常振奮，當然不只是這一個案例，比如空客發(fā)動機掛架典型的結構（上圖）也通過量產認證。但是早上張主任也提到我們?yōu)槭裁丛诿駲C領域國內增材制造的適航認證還沒有完全開展，甚至還沒有完全成功的案例？很大的原因是它的難度。我們公司現在也在參與一些民機型號重點增材制造部件的適航認證。為了做這個適航認證我們從材料到加工過程到后處理過程，也包括實驗檢驗的所有環(huán)節(jié)都需要進行大量，甚至標準的成形制定，我們的材料在幾十毫秒的時間從幾百度增加到幾十萬度，從很短時間又從幾十萬度下降回來，這是一個急冷急熱的過程，就是歷史上所有的冶金成形過程都沒有這樣，所有相關的適航認證的工作、檢驗工作都必須要重新完成，所以是非常巨大的工作量，我們這樣一個認證工作已經參與了三年，我預計即將收尾，但是仍然有大量工作要做，能夠參與這個過程及讓我們公司在整個知識儲備和流程沉淀上積累了非常多的經驗，但是難度非常大，這還只是一個航空的例子。今天有很多醫(yī)療界的朋友，我們也非常關注增材制造在醫(yī)療行業(yè)的應用，有很多成功的植入，但是往往大家會忽略一個故事，在去年5月份美國強生公司為了給4400位患者使用他們的骨科植入帶來一些問題，給4400位患者賠償10億美元，不知道大家關注這個新聞沒有，所以增材制造尤其進入量產階段和大規(guī)模使用之后，質量問題一定會發(fā)生，沒有任何人可以幸免，所以必須通過我們的努力去克服質量問題。增材制造作為一種工藝，它就是為了給客戶加工合格的產品，這是我們唯一的目標，但是怎么樣實現，需要我們做大量的工作。

增材制造在控制質量上，最重要的兩個指標：一個是控性，一個是控形。不管是做功能件還是結構件，材料性能不管是力學性能、導熱性能、導電性能這些都必須要想辦法實現，滿足用戶要求；另外控形，大多數增材制造零部件都需要和其他零部件進行組裝，一個形狀出現偏差都會導致這個部件無法在整體結構上使用，所以這兩個目標是核心的，沒有任何人可以繞過去，未來所有的努力都必須符合這個目標。

在滿足質量的前提下，還要考慮效率問題，不能是為了滿足質量，我花無限多的時間，沒有任何客戶等得起，比如以選區(qū)激光熔化工藝為例，從產品設計、工藝設計到制造到后處理，后處理有大量的工序要做。環(huán)節(jié)非常多非常長，任何一個環(huán)節(jié)出問題或者環(huán)節(jié)之間出問題都會導致效率非常慢。所以增材制造不只是要在打印過程中提高效率，要想辦法把整個鏈條的效率提升，還有大量的工作需要做。

影響質量和效率的因素有多少？之前有一個報告，光以選區(qū)激光熔化這個工藝為例介紹影響質量和效率的因素就有一百多個，包括設備、材料、工藝過程有大量的因素影響，其中有大量的影響是來源于人，從工藝設計到設備設計到材料開發(fā)，因人的影響導致質量和效率的問題。

怎么面對這些問題？智能化。

過去做一個樣件的時候無所謂智智能化，但是進入量產階段，怎么樣提高質量？提高效率？不能完全靠人的經驗去控制，必須要采用一些智能化手段實現。還以SLM工藝為例，每個環(huán)節(jié)都有哪些智能化手段可以應用這是需要思考的問題，我稍微簡要寫了一些，但是這里其實還有很多東西是遺漏的，比如沒有提到材料，材料的智能化開發(fā)現在也是非常重要的趨勢，但是可能和裝備相關性不大，所以我沒有列。即便這樣，我們可以看到有大量的條件，比如從產品設計上，是不是可以通過智能化仿真提升設計水平？讓設計結構除了滿足功能要求之外，直接就可以試錯終端制造工藝。馬總剛剛有一個工藝就是寶馬I8車的頂棚采用Solutions的設計，但是那個件的設計非常有講究，他在整個打印過程中幾乎完全沒有加支撐，而且通過層層疊加，一板可以打600個，這是什么樣的效率，所以產品設計，怎么樣通過智能化仿真手段提高加工效率和加工質量，這是從產品設計端就要開始的。另外是工藝設計，材料設計還有工藝本身的仿真技術現在越來越成熟，怎么樣把這些技術用好也可以提高質量和效率。另外是設備，我們現在已經有50多臺設備，未來幾年內可能要擴大到一百臺甚至幾百臺，這么大量的設備如何管理？還要靠人管理幾乎沒有辦法想象，所以必須采用智能化的排產手段讓設備的利用率能夠提升。另外打印過程怎么監(jiān)控它的質量？通過各種手段去監(jiān)控。另外后處理，這么多道工序怎么保證后處理不同設備之間能夠互相通訊，代加工的部件怎么從設備里面取出來，然后進行快速的后處理，最后放到機加的時候又很容易找到它的基準面，否則我怎么去空形，如果基準變了，最后機加出現了問題，都是有可能的，所以這里面包括零點定位系統(tǒng)，后處理自動化系統(tǒng)，都是我們需要考慮的問題。我們在做質量控制的時候，試驗和最終檢驗需要建立一套智能化數據庫，能夠讓我們快速分析發(fā)現質量問題可能是什么原因造成？比如要打印一個產品，快速利用數據庫回溯這個問題是什么原因？當我們批量化制造的時候可以避免這種問題。

比如從產品設計角度怎樣利用拓撲優(yōu)化技術快速形成想要的結構，而且現在的拓撲優(yōu)化技術已經發(fā)展到可以把增材制造的工藝條件，比如最小尺寸，比如最薄不能超過多少，最厚不能超過多少，哪些地方需要減少支撐，在拓撲優(yōu)化的時候已經可以實現，那么我們在設計產品的時候需要把這些工具用好。

模具設計也是這樣的，怎么設計隨行水路，除了滿足功能之外，怎樣讓模具溫度控制的更好，怎樣優(yōu)化水路不容易堵塞，讓水垢不容易生成，這樣也是需要智能化仿真軟件來完成的。

向Materialise的自動加支撐，怎么樣能夠快速拿到一個結構自動生成支撐，而且支撐的可選擇形式可以更多，進一步幫助提高質量和效率，另外自動加支撐還可以節(jié)省后處理時間，因為支撐設計的好，后面將很容易去掉。

過程仿真，利用打印過程仿真可以更好地分析可能產生的應力和變形，把可能產生的開裂、質量隱患從一開始就消除，這樣可以整體縮短制造時間，提高效率，減少返工，讓合格率得以提升，這就是我們的價值所在。比如從預測變形、預測應力、預測熱應變、另外可能產生的變形在結構上做一些補償，這些都是我們可以使用到的功能。

這是很典型的案例（下圖），也是我們真實做的，在最開始設計的時候就發(fā)現在結構上方很容易產生變形，后來經過仿真之后局部做一些補償，最后可以很好地實現形狀控制。

智能化調度。當我們有多臺設備的時候，怎么樣把訂單根據材料、尺寸以及其他的約束用智能化進行排查？讓設備利用率大幅度提升，同時讓整個生產線均衡。比如第一條生產線可能設備要進行維護怎么進行預測性的維護？同時把維護時間也考慮到排程，這些都是未來可以開發(fā)的，這套東西目前還不存在，但是非常值得做。

質量監(jiān)控。打印過程的質量監(jiān)控。剛才說對打印的質量影響因素非常多，包括激光功率、掃描速度、風場結構、光束質量，很多企業(yè)都會忽略風場設計，包括熔池監(jiān)控、氧含量監(jiān)控、激光功率監(jiān)控，這些都是增材制造裝備研發(fā)過程中，通過軟件硬件結合實現這樣的監(jiān)控，把質量隱患第一時間抹殺掉。

后處理方面。比如是否設計結構的零點定位，設計一些夾具包括定位系統(tǒng)，有硬件部分、軟件部分，這樣能夠實現打印結束之后，在后處理過程中比較容易找到基本點，避免后續(xù)工序出現錯誤。


自動化的清粉。比如當有多臺設備是否可以共用一個自動化的清粉站，進一步提高整個生產車間的效率。而且設備之間運輸是不是也可以應用AGV通過信息化的集成，把不同的設備關聯起來。

最后就是質量數據分析。怎么能夠把質量大數據建立起來，當我打印幾百個部件，幾千個部件，積累了大量實驗數據，也有仿真的數據，如何建立一套FMEA體系？我們叫失效模式分析，任何出現質量缺陷能快速找到原因，是由哪些原因造成的，怎么樣快速追溯這些原因，這都是需要應用不管是軟件還是硬件的手段快速積累的。

增材制造已經從原型制造進入到量產階段，有大量的案例，公開的和不能公開的都已經證明了這一點。這個過程怎么樣提高質量的一致性？提高效率是所有行業(yè)同仁必須關注的一件事。我們的解決方案就是在這個過程中必須采用智能手段，用設備也好用計算機也好幫助我們避免一些錯誤，所以在每個環(huán)節(jié)如何充分利用這些智能化技術是未來增材制造發(fā)展必須面臨的挑戰(zhàn)。我們希望和大家共同努力，為共同目標，為更高效率提供更高質量的產品，讓這個行業(yè)得以健康持續(xù)發(fā)展。謝謝大家。