基于增材制造的控制系統復雜構件研發快速迭代技術

增材制造（AM）是一種兼顧精確成形和高性能成形的一體化制造技術，因其具有高柔性、快速成形、不受零件形狀復雜程度的約束等優勢，可使得設計迭代變得更加快速，研制周期大大縮短。

由于控制對象的復雜性和控制參數的多樣性，航空發動機控制系統復雜構件在研發過程中仍面臨著設計約束多、加工難度大、迭代周期長等問題。中國航發動控所針對航空發動機控制系統復雜構件（如燃油泵殼體、調節器殼體）的研制，采用基于數字化模型驅動和選擇性激光熔化（SLM）增材制造（3D打?。┘夹g相融合的方法，實現了研發效能的大幅提升，大大縮短了復雜控制構件的研制周期。

數字化模型驅動的正向研發快速迭代

面向航空發動機控制系統復雜多腔內流道構件的研制需求，建立基于數字化模型驅動的正向快速研發模式，如圖1所示，打通“設計—仿真—制造—驗證—認證”一體化迭代流程，實現系統級產品功能和性能最優化。該“雙V”快速研發模式的核心，就是從需求概念級模型到真實物理級實體是完全基于增材制造（3D打印）使能的模型驅動式數字線程來實現的，數字線程中包括需求信息、設計信息、材料、工藝、加工以及測試驗證數據等信息。

由虛擬模型到物理實現的模型數字化傳遞過程如圖2所示，主要分為模型設計階段、工藝優化階段和模型打印實現階段。

圖1 基于數字化模型傳遞的快速研發模式

圖2 由虛擬模型到物理實現的數字化傳遞過程

在數字化模型的設計過程中，首先根據需求進行指標分析與架構設計，同時結合理論原型進行相關物理參數定義，在功能需求與系統架構設計約束下開展三維結構設計，并運用拓撲優化、等壁厚包絡設計等方法實現復雜油路空間布局、結構強度、質量、性能等指標的多目標全局最優，實現面向增材制造工藝的復雜控制構件集約化模型構建；然后采用多物理場聯合仿真技術，綜合考慮真實運行場景下熱場、應力場、流場、電磁場等載荷效應的敏感度模型，將仿真結果直接迭代回歸至模型本身，實現設計端的快速迭代優化；最后是結構設計與工藝設計的符合性確認，由于增材制造工藝的特殊性，需要對模型的關鍵表面進行工藝設計（余量設計），以此保證足夠的精加工余量，模型完成符合性確認后才能傳遞至下一階段。

模型工藝優化過程的主要特點是進行虛擬仿真成形，主要包括模型成形方向和支撐設計、成形工藝仿真、參數化機器語言三者之間的迭代優化。將上一級傳遞來的模型（工藝設計結果）導入虛擬打印平臺，進行初步成形方向和支撐結構設計；對于控制系統復雜構件而言，構件的合理成形方向不僅可以避免截面突變帶來的打印風險，還能提高內部流道的成形質量；支撐結構設計保證在支撐面積最小的條件下實現成功打??；如何驗證支撐設計的合理性以及工藝參數是否達到最優，則需要在二者之間采用多尺度成形工藝仿真的方法進行迭代優化。將最終的工藝支撐模型進行切片分層處理，并根據工藝仿真結果設置打印的工藝參數，形成一系列參數化的機器語言控制設備進行打印成形。

模型打印實現過程，包含數字化模型轉化為實體構件及后續質量性能檢測的所有過程。由于虛擬仿真成形不能百分之百預測實際打印過程中的諸多問題，且金屬粉末床熔融過程非常復雜，因此成形質量的過程控制顯得尤為重要。在過程控制中，氧含量是一個非常關鍵的指標，對構件的冶金質量有重要影響，因此須將成形過程的氧含量控制在合理范圍；熔池穩定性、缺陷形成傾向、熱應力演化對熔池，以及構件成形表面溫度變化很敏感，可借助紅外熱成像等技術對成形過程溫度進行實時監測，為工藝優化提供數據支撐；同時，設備內置的監控相機可實現鋪粉、燒結質量的實時監測，及時發現打印風險，形成質量保證與追溯的閉環控制系統。

面向增材制造的設計

三維創新結構設計

圖3 面向增材制造的結構設計技術路徑

面向增材制造的設計（DFAM），是一種基于增材制造的能力，通過形狀、尺寸、層級結構和材料組成的系統綜合設計最大限度提高產品性能的設計方法。DFAM改變了傳統的設計理念，從零件的三維CAD模型出發，無須模具，直接制造零件，大大降低成本，縮短研制周期。以輕量化、集約化為目標的DFAM創新結構設計，其技術路徑如圖3所示。

以航空發動機燃油控制裝置設計為例，由于傳統制造工藝的限制，復雜殼體內部油路錯綜復雜，給殼體的高效加工制造帶來了巨大挑戰，因此設計成供油模塊殼體和計量模塊殼體組合而成的分體式設計結構，如圖4（a）所示，減輕質量的設計優化非常有限，影響著航空發動機燃油經濟性。而采用DFAM設計思路，設計自由無約束，根據功能與性能需求即可設計出所需復雜構件的幾何形狀和內部構造，無須考慮先單獨加工各個殼體、再裝配出整個產品的傳統設計和制造理念，直接考慮功能模塊的集成一體化設計，復雜構件的輕量化、集約化設計目標唾手可得，DFAM設計結構如圖4（b）所示。而后，經過一系列的增材制造工藝過程，便可實現真實復雜殼體的加工制造，如圖4（c）所示。

圖4 發動機燃油控制裝置復雜殼體結構設計

多物理場仿真優化

有了結構設計數字化模型，復雜構件的結構是否全局最優？這就需要多物理場聯合仿真的快速迭代優化和驗證，來證明設計是否為有限約束條件下的全局最優化設計。針對構件的結構強度仿真（靜態）和振動/模態仿真（動態），屬于應力場的動靜態特性仿真范疇，利用有限元方法仿真得到構件在極限載荷下動靜態特性；流場仿真主要是依據銳邊節流孔假設和計算流體力學（CFD）理論來對構件內部復雜油路的壓力損失和波動特性進行優化確認；溫度場仿真則是對構件由內而外的散熱特性和由外而內的防火/耐火特性進行動態熱平衡（補償/抑制）設計的優化確認，整體優化邏輯如圖5所示。經聯合仿真優化后，得到最終的復雜構件結構設計數字化模型。

圖5 多物理場聯合仿真優化

工藝設計與仿真

工藝余量/支撐設計面向增材制造的工藝設計包括工藝余量設計和工藝支撐設計，其設計優化技術路徑為：經工藝余量設計完成的模型傳遞至工藝支撐設計中，經優化后最終生成工藝余量模型和工藝支撐模型。

工藝余量設計主要是通過數模對比將三維模型擬精加工表面進行設計處理，設計中應充分考慮精加工的可切削性、材料利用率、對后處理的影響等因素。工藝支撐設計主要基于支撐面積最小、流道成形質量最佳、打印面積最小且不宜有面積突變情況等原則，設計構件的最優擺放角度；并綜合考慮模型結構的復雜性，如支撐臨界角度優化、非必要支撐面刪除和高風險支撐面添加等，在專用支撐數據庫中提取相關的支撐類型與參數，生成工藝支撐模型。

工藝仿真優化金屬SLM成形的特點是粉末材料的逐點沉積，因此對熔池尺度的工藝仿真是解析成形微觀機理的關鍵，同時也是進行工藝參數優化的有效途徑。然而，當研究對象上升到宏觀尺度的構件時，則應重點關注對宏觀構件產生顯著影響的因素，如溫度和應力。綜合考慮微觀與宏觀特性，提出了多尺度聯合工藝仿真優化方法，如圖6所示，主要涉及熔池級熱-固耦合與構件級應力—變形的跨尺度仿真過程。

圖6 多尺度工藝仿真優化

增材制造過程所涉及的工藝參數眾多，包括激光功率、光斑直徑、掃描速度、掃描路徑、搭接率等，各工藝參數之間存在強耦合且相互影響，因此難以實現對成形微觀過程的完整解析和工藝優化。熔池尺度的工藝仿真涉及熔池熱量的傳輸、熔池與粉末顆粒的交互、熔池形態演化、熔池穩定性、熔池動力學等諸多復雜物理現象，通過建立工藝參數與上述物理現象的解耦敏感度模型，實現工藝參數的最優篩選。但隨著研究對象變為大熔池幾個數量級的構件時，構件形狀復雜程度對構件溫度場分布、熱應力和熱變形的影響則變得尤為顯著。通過多尺度聯合工藝仿真，可快速建立零件的成形、基板切割、熱處理、去支撐等一系列虛擬制造過程，由仿真結果可對零件結構設計、成形方向設計、支撐設計的合理性進行評估與優化，并可預測打印過程可能存在的風險與隱患，為一次打印成功提供仿真數據支持。工程實踐表明，多尺度工藝仿真優化在增材制造使能的快速研發迭代中發揮的作用顯而易見。

增材制造實現的關鍵技術問題

金屬粉末原材料

金屬粉末原材料是增材制造中零件打印實現階段的第一步，金屬粉末性能的控制對成形效率和最終產品的質量至關重要。在材料層形成時，粉末如何流動、壓縮，是性能方面的決定性因素；粉末的差異性可導致堆積密度不一致、分層不均勻，最終導致抗拉強度低以及表面光潔度不夠。研究表明，并非所有的金屬粉末都適用于增材制造，由于受到熱力學和動力學規律的影響，有些粉末的成形易伴隨球化、孔隙、裂紋等缺陷。特別是航空發動機零部件嚴苛的運行工作環境及可靠性、安全性要求，對金屬粉末原材料的性能要求就更高，因此在一定程度上制約了國內增材制造技術在航空發動機中的應用。

快速成形制造

在復雜構件的快速成形制造過程中，打印過程的閉環控制是實現一次打印成功的關鍵，具體快速成形制造邏輯如圖7所示。

在原材料端，進行上文所述的原材料特性、質量控制和過程傳遞控制，包括粉末材料的物理特性和化學特性的檢測、多批次粉末循環使用質量控制、篩粉、粉末烘干等一系列原材料過程控制措施，確保成形源頭的質量可靠性；在設備調節與打印端，根據作業規范進行設備的調節與打印，整個過程均由操作標準與規范進行約束，確保打印過程的可重復性；在過程監控端，通過使用紅外熱成像設備、高分辨率相機等硬件，對成形過程的溫度、打印質量進行實時監控，保證及時發現并解決打印問題，并對數據進行采集保存，以備后期的質量追溯；在取件與清粉端，依據工藝規范卡片進行操作，同時將剩余粉末經質量檢測后傳遞至第一步中的原材料端，完成快速成形制造的閉環控制邏輯。

圖7 快速成形制造邏輯

后處理技術

快速成形制造的構件需經過特定的后處理才能最大程度的發揮其應有的性能。面向增材制造的航空發動機控制系統復雜構件的后處理技術主要包括：熱處理、噴砂、噴丸、化學光整、磨粒流體光整等。

SLM成形過程中高溫度梯度、快冷卻速度使構件內部組織極為細小，性能普遍優于鑄件或與鍛件相當，但仍可以通過熱處理實現強度與塑性的最佳匹配，從而顯著提高構件的綜合力學性能，通常采用（真空）熱處理爐或熱等靜壓（HIP）方式；噴砂、噴丸作為一種外表面處理技術，可對成形構件外表面粘粉、氧化皮等物質進行有效機械去除，使構件的外表面粗糙度得到一定程度的改善；化學光整主要通過能與構件發生化學反應的特定濃度酸堿液交替對構件進行清洗，構件金屬表面與溶液發生輕微化學反應并去除相應材料，實現構件內外表面非選擇性光整；磨粒流體光整屬機械選擇性拋光，通過將一定壓力的半固態磨料壓入構件某一條或多條流道，由磨粒與流道內表面產生的磨削作用去除材料，實現復雜構件內表面的光整加工。通過調節磨料特性，并配合專用工裝，可使流道內表面獲得較高的表面質量（甚至達到鏡面），因此特別適合對航空發動機控制系統復雜構件內流道進行光整處理。

質量檢測評估與驗證

產品質量檢測評估與驗證是增材制造產品能否真正實現工程化應用的評判準則，具體實施途徑遵循圖8所示的技術流程，其中主要包括產品質量檢測、產品功能與性能驗證與產品符合性認證三部分，以及評估檢測、驗證與認證過程所涉及的與產品相關的質量信息數據庫。通過對產品進行逐級評估與驗證，最終達到適航認證目標。

成形構件完成處理流程后，首先進行制品零部件質量檢測，從控形/控性的角度分別將產品的尺寸精度、表面精度等形貌相關檢測和成形缺陷、基本力學特性、高頻疲勞特性等性能相關檢測聯系起來，構建產品質量的檢測條件與評估準則；在零部件質量檢測滿足要求的基礎上，再進行配裝產品的功能與性能驗證，如根據產品使用場景開展的流量壓力特性考核和環境考核等；然后開展系統級產品的綜合驗證和整機級的臺架試驗考核；最后，進行適航認證相關的一系列驗證與確認，確保滿足飛行安全性要求。

圖8 產品質量檢測評估與驗證流程

對于任何一個產品來說，在產品質量檢測評估與驗證過程每一階段形成的質量信息數據，均包含產品檢測和驗證的所有數據信息，如圖8所示，因此每個特定的產品均對應與其自身質量性能相關的特定數據。數據由平臺進行管理形成數據庫，并跟隨產品服役的全生命周期過程，不僅可以為系統級產品滿足適航要求提供保障，且在服役過程中發生的任何產品局部損傷、失效等問題，可通過前期考核驗證形成的數據進行追溯、分析與查證。在產品質量信息數據庫中，產品檢測與評估的相關數據可回歸迭代至工藝模型和成形參數，產品功能與性能驗證和符合性認證的相關數據可回歸迭代至設計模型和仿真模型，實現模型和參數的修正與優化。

圖9 渦軸發動機復雜控制構件研發快速迭代技術工程化應用

工程應用實踐

以渦軸發動機燃油泵調節器離心泵研發為例，采用基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術相融合的快速研發迭代技術路徑和方法，在創新設計、工藝仿真、成形質量等研究方向進行了突破，將建模、仿真和優化融為一體，完全實現了由需求概念到真實物理級產品的快速、高效、質量可靠的交付，研制周期由傳統研發模式的1年以上縮短為現在的不足3個月，同時產品的零部件數量減少10%，質量減輕約20%，大大節約了產品的研制成本，目前已通過了部件試驗、數控系統半物理模擬試驗、發動機臺架試驗以及相關環境驗證考核，試驗結果表明各項指標性能均符合設計和制造要求。

結束語

基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術相融合的航空發動機控制系統復雜構件研發快速迭代技術研究與工程應用實踐，得到了如下結論。

一是從復雜產品的需求概念到結構工藝設計，采用基于數字化模型驅動的正向研發模式和桌面級仿真驗證快速迭代回歸，減少了試錯環節，初步實現了產品“設計一步到位”的目標要求，為航空發動機控制系統研發模式轉型升級奠定了基礎。

二是面向SLM增材制造技術的復雜構件輕量化、集約化設計與成形制造，為復雜構件提供了一種高柔性、短周期、低成本使能手段，不僅突破了傳統機加工藝的局限性，而且促進形成了復雜構件創新結構設計的思路，引導設計與制造向功能一體化的“自由設計、簡單制造”方向發展。

三是基于數字化模型驅動和SLM增材制造技術相融合的快速迭代技術，可實現設計制造一體化等特點，突破航空發動機關鍵部件輕量化、集約化、高性能、高可靠等技術，提高研發效率，加速驗證回歸迭代，為實現航空發動機正向自主研發提供了全新的完整解決方案。