適用于形性一體化的工業(yè)備件增材制造工藝研究

李國(guó)偉，張路思，李運(yùn)達(dá)，孫 群，顧邦平

（1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306；2.上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，上海 201306）

0 引言

現(xiàn)代制造企業(yè)通過(guò)引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備和工藝推動(dòng)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，這導(dǎo)致企業(yè)的進(jìn)口設(shè)備已經(jīng)占有相當(dāng)大的比例，雖然進(jìn)口設(shè)備具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、維護(hù)量少等優(yōu)點(diǎn)，但備件是設(shè)備及時(shí)維護(hù)檢修和應(yīng)急處理所需的保障性物資，也是支撐設(shè)備可持續(xù)運(yùn)行的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著國(guó)際貿(mào)易爭(zhēng)端加劇，以及新世紀(jì)新冠疫情對(duì)全球國(guó)際貿(mào)易產(chǎn)生的負(fù)面溢出效應(yīng)，備件備品的管控策略受到諸多挑戰(zhàn)，主要包括：（1）疫情/后疫情時(shí)代，備件供貨不確定性明顯增多，采購(gòu)周期長(zhǎng)、供貨不及時(shí)現(xiàn)象日益增多，設(shè)備故障因缺少備件不能及時(shí)排除會(huì)影響到企業(yè)的正常生產(chǎn)，疫情時(shí)代備件采購(gòu)的穩(wěn)定性受到?jīng)_擊。（2）隨著全球貿(mào)易摩擦和知識(shí)產(chǎn)權(quán)競(jìng)爭(zhēng)加劇，備件設(shè)計(jì)的獨(dú)家壟斷性增強(qiáng)，全球供應(yīng)鏈中斷風(fēng)險(xiǎn)增加，傳統(tǒng)的備件替代策略受到挑戰(zhàn)[1]。（3）進(jìn)口備件購(gòu)買成本高昂，尤其是高質(zhì)量高精度高性能的非標(biāo)備件，會(huì)造成維護(hù)維修成本的上升而影響到單價(jià)產(chǎn)品的成本。因此，備件國(guó)產(chǎn)化替代已經(jīng)成為企業(yè)降低維修成本和應(yīng)對(duì)采購(gòu)環(huán)節(jié)不確定性的重要舉措。基于此，國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行了大量的實(shí)踐，根據(jù)備件的特點(diǎn)制定差異化的國(guó)產(chǎn)替代方案[2-4]，包括直接選用國(guó)產(chǎn)定型產(chǎn)品、材料和工藝改進(jìn)、仿制替代、備件的再修復(fù)利用、備件直接增材制造等措施。

備件增材制造（Additive Manufacturing，簡(jiǎn)稱AM）的實(shí)施引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，正在成為備件供應(yīng)的重要途徑，甚至被認(rèn)為是備件領(lǐng)域的下一次革命[5]。Atanu Chaudhuri 等[6]認(rèn)為AM 有助于在短時(shí)間內(nèi)交付備件，從而避免維持大量庫(kù)存。國(guó)內(nèi)學(xué)者已關(guān)注增材制造在高端產(chǎn)品金屬零部件再制造修復(fù)中的應(yīng)用，如潘新等[7]對(duì)金屬增材制造技術(shù)在軍用飛機(jī)維修中的應(yīng)用做出了體系化的概述；董世運(yùn)等[8]利用激光熔覆的增材制造技術(shù)對(duì)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的凸輪軸等零部件進(jìn)行了再制造修復(fù)等。增材制造技術(shù)已為我國(guó)航空航天、動(dòng)力能源領(lǐng)域高端裝備的飛躍發(fā)展和品質(zhì)提升作出了重要貢獻(xiàn)[9]，增材制造助力安全、高效的工業(yè)備件管理仍有巨大潛力，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、尺寸精度和表面質(zhì)量要求高（形）、工況要求相對(duì)苛刻的非標(biāo)特殊備件。

1 工業(yè)備件形性一體化工藝研究

1.1 工業(yè)備件的技術(shù)特性分析

高質(zhì)量高性能的工業(yè)備件的技術(shù)要求體現(xiàn)在形狀、精度、性能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料性能、裝配方式等方面，主要影響因素包括成型材料特性、備件結(jié)構(gòu)、設(shè)備性能和精度、工藝參數(shù)等，以下從“形”和“性”兩個(gè)方面概述備件的特性要求、影響因素及保障措施。

（1）備件“形”的要求和保障措施

備件“形”的要求主要考慮表面質(zhì)量、尺寸精度、位置精度。結(jié)構(gòu)復(fù)雜的備件在逆向工程中受到測(cè)量精度、三維模型重構(gòu)誤差的影響，而在增材制造中備件成型質(zhì)量還會(huì)受到設(shè)備自身精度、材料成型精度、模型擺放方向和工藝層數(shù)的影響，比如通過(guò)調(diào)整打印參數(shù)和放置方向，可以得到更高質(zhì)量的打印件。

（2）備件“性”的要求和保障措施

為了適應(yīng)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，備件應(yīng)滿足導(dǎo)電導(dǎo)熱性、延展性、硬度、剛度、密度五個(gè)方面的性能要求。鑒于備件的性能、結(jié)構(gòu)與工作要求的影響因素眾多，使得材料-工藝-性能關(guān)系難以主動(dòng)把握，探索的路徑之一是通過(guò)增材制造AM 技術(shù)測(cè)試不同材料零件性能，或去除多余材料成分，或更換其他類型材料，得到滿足要求的備件替代品。此外，由于增材制造層層累積成型工藝特點(diǎn)，備件的結(jié)構(gòu)形狀與工藝參數(shù)也會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度等性能，通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)和調(diào)整工藝參數(shù)優(yōu)化備件性能也是值得關(guān)注的方向。

1.2 形性一體化工藝研究

鑒于工業(yè)備件的上述特點(diǎn)，同時(shí)滿足備件“形”“性”要求的增材制造工藝面臨挑戰(zhàn)，如設(shè)備購(gòu)置成本高昂或者專用材料研發(fā)困難。因此，針對(duì)高質(zhì)量備件的形性的需求特點(diǎn)，分析增材制造中關(guān)鍵因素對(duì)備件形性的影響，制定兼顧技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)可行性的形性一體化工藝方案顯得尤為必要，如圖1 所示。

圖1 備件增材制造工藝研究框架

目前，AM 形性一體化研究已經(jīng)受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。盧秉恒[9]提出基于人工智能技術(shù)發(fā)展形性智能可控增材制造技術(shù)裝備是AM 未來(lái)的核心發(fā)展目標(biāo)；劉曉晨等[10]對(duì)FDM 和SLA 兩種工藝形性一體化中的工藝可成形性進(jìn)行了量化分析。針對(duì)備件增材制造工藝匹配性評(píng)估，工業(yè)領(lǐng)域非金屬備件用量較多，亦需要關(guān)注，同時(shí)需要兼顧技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性。

一方面，備件國(guó)產(chǎn)化有一定風(fēng)險(xiǎn)，為保證生產(chǎn)正常進(jìn)行，有效避免備件國(guó)產(chǎn)化后可能產(chǎn)生的工作效率和運(yùn)行質(zhì)量下降問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)不同特點(diǎn)的進(jìn)口裝備零部件進(jìn)行技術(shù)可行性分類評(píng)估：①針對(duì)高精度類標(biāo)準(zhǔn)件，可以采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)領(lǐng)域質(zhì)量檢驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行評(píng)估；②針對(duì)非標(biāo)類進(jìn)口備件的國(guó)產(chǎn)化，可以根據(jù)原件的實(shí)際工況設(shè)定國(guó)產(chǎn)備件技術(shù)要求，特殊性能要求需要通過(guò)材料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得。總之，備件國(guó)產(chǎn)化實(shí)施方案中需要選擇合適的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，在材料選擇、生產(chǎn)工藝等方面應(yīng)盡可能使用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)評(píng)估，以此避免不必要的技術(shù)繁瑣。

另一方面，增材制造中除了對(duì)比現(xiàn)有零件與替代零件的物理、機(jī)械等性能參數(shù)之外，還應(yīng)對(duì)不同生產(chǎn)工藝下的研發(fā)周期、生產(chǎn)周期、效率和成本等多方面綜合比較，并能夠回答以下問(wèn)題：什么備件適合增材制造、何時(shí)進(jìn)行制造、制造多少等。鑒于增材制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其效率和成本優(yōu)勢(shì)明顯，尤其考慮到備件替代延長(zhǎng)了原設(shè)備的使用壽命，其經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2 線纜接頭增材制造工藝研究和評(píng)估

2.1 問(wèn)題的提出

某公司引進(jìn)的自動(dòng)鎖螺絲機(jī)每年因?yàn)榫€纜接頭損壞或者松動(dòng)導(dǎo)致的失效有很多，面對(duì)這種情況只能購(gòu)買新電纜，購(gòu)買新電纜價(jià)格昂貴，每年上百萬(wàn)成本。如果能夠?qū)崿F(xiàn)接頭國(guó)產(chǎn)化，只要更換接頭就可以繼續(xù)使用，可以節(jié)省很大一筆費(fèi)用。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)分析

形和性的特殊性：線纜接口精度要求低于0.2 mm，因結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，有多層極微小的沉孔結(jié)構(gòu)和不規(guī)則薄壁特征，且當(dāng)前的針對(duì)塑性耗材增材制造工藝在0.2 mm 的誤差范圍內(nèi)難以呈現(xiàn)出接頭的微小沉孔特征，現(xiàn)有產(chǎn)品很難找到可替代的；接頭的材料為成分未知的高分子材料，其具有吸能、強(qiáng)絕緣、工作溫度范圍大、非易燃、高韌性的特點(diǎn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)評(píng)估與驗(yàn)證

2.3.1 形性一體化工藝研究初步方案

為獲得滿足要求的材料，將按照以下邏輯進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，技術(shù)路線如圖2 所示，主要實(shí)施步驟如下：

圖2 線纜接頭國(guó)產(chǎn)化替代實(shí)驗(yàn)技術(shù)路線

（1）根據(jù)線纜接頭的實(shí)際工況設(shè)定國(guó)產(chǎn)化備件的性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）對(duì)原件進(jìn)行測(cè)繪，應(yīng)用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行三維建模。

（3）在現(xiàn)有的AM 成型工藝中尋找合適的材料，形成具體的工藝方案。

（4）檢驗(yàn)打印件幾何精度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（5）在滿足成型精度的前提下測(cè)試材料的裝配性能和使用性能。

（6）根據(jù)備件國(guó)產(chǎn)化全過(guò)程成本，綜合比較分析研發(fā)周期、生產(chǎn)周期、效率和成本等多方面效益。

2.3.2 3D 打印方案

（1）線纜接頭性能標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

線纜接頭是用來(lái)鎖緊和固定進(jìn)出線，起到防水防塵防震動(dòng)的作用，其處于自動(dòng)鎖螺絲機(jī)受持部位附近，要求絕緣性好、耐高溫、阻燃性好，產(chǎn)品使用過(guò)程中經(jīng)常拉拽，對(duì)線纜接頭的強(qiáng)度和韌性的要求高。

（2）幾何模型重構(gòu)

該線纜接口為具有多個(gè)多層沉孔結(jié)構(gòu)的圓柱殼體，所以采用接觸式測(cè)量方法測(cè)量其輪廓數(shù)據(jù)。線纜接口精度要求低于0.2 mm，因此對(duì)于接口外壁、肋板和初層沉孔的測(cè)量，采用分辨率為0.01 mm 的數(shù)顯游標(biāo)卡尺即可。對(duì)于更深層的沉孔結(jié)構(gòu)，由于其孔徑極小使用尺規(guī)測(cè)量或激光掃描儀，都無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此輔助采用了石蠟制取陽(yáng)模的方式，并對(duì)孔徑及孔深進(jìn)行了多次測(cè)量，以提高測(cè)量精度。

（3）增材制造工藝及材料選擇

該線纜接頭材料為成分不明的高分子材料，綜合工藝與成本兩個(gè)因素，選用校內(nèi)工程訓(xùn)練中心現(xiàn)有的SLA（立體光固化成型）、MJF（射流熔融3D 打印）、SLS（選擇性激光燒結(jié)）四種增材制造工藝設(shè)備進(jìn)行3D 打印，并對(duì)打印質(zhì)量進(jìn)行分析，所用3D 打印材料及性能見(jiàn)表1。

表1 3D 打印材料及性能

試制件沉孔特征、薄壁特征打印效果見(jiàn)表2。結(jié)果表明：采用SLS 技術(shù)及其對(duì)應(yīng)耗材打印的試制件因耗材粉末顆粒粗大，未能成型線纜接頭中的薄壁特征，在該耗材及其對(duì)應(yīng)技術(shù)下的試制件成型精度不達(dá)標(biāo)；而采用SLA 和MJF 技術(shù)及其對(duì)應(yīng)耗材打印的試制件成型精度均符合產(chǎn)品的成型精度的指標(biāo)，均可以現(xiàn)場(chǎng)采用。

表2 不同3D 打印工藝的線纜接頭質(zhì)量與精度分析

（4）成本及效益分析

a.作為線纜接頭的替代件，其成本與購(gòu)買新電纜相比成本效益明顯，可以為企業(yè)每年節(jié)約上百萬(wàn)新品購(gòu)置費(fèi)用。

b. 利用增材制造技術(shù)可快速生產(chǎn)線纜接頭替代件，減少因貿(mào)易壁壘帶來(lái)的缺貨風(fēng)險(xiǎn)。

c.如果從企業(yè)內(nèi)部所需延伸到整個(gè)行業(yè)，可以考慮規(guī)模化生產(chǎn)，具有顯著的社會(huì)效益；雖然目前的備件試驗(yàn)件具有了原件的形性功能要求，已應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，滿足了“應(yīng)急性替代”，但使用壽命還有待進(jìn)一步觀察。

為了形成“持久性替代”的工藝方案還需要深入探討材料的特性，并綜合考慮增材制造設(shè)備的成型工藝，以上工作則需要研發(fā)成本的投入，需要從備件風(fēng)控管理角度評(píng)估其必要性。

3 結(jié)論

面對(duì)國(guó)際貿(mào)易爭(zhēng)端等不確定性，工業(yè)備件備品的管控策略面臨新的挑戰(zhàn)，在總結(jié)目前備件國(guó)產(chǎn)化替代方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注適用于形性一體化的備件增材制造工藝研究，研究?jī)?nèi)容總結(jié)如下：

（1）分析了高質(zhì)量工業(yè)備件的技術(shù)特性、形性質(zhì)量影響因素及保障措施。

（2）提出了適用于工業(yè)備件的形性一體化增材制造工藝研究框架，分析了AM 用于工業(yè)備件國(guó)產(chǎn)化替代的可行性及存在的問(wèn)題。

（3）提出了形性一體化增材制造試驗(yàn)技術(shù)路線，并以線纜接頭為例進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析。

（4）不足之處：由于增材制造過(guò)程涉及材料、結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程、后處理等諸多因素，發(fā)展形性可控的增材制造技術(shù)和裝備面臨挑戰(zhàn)，本文基于現(xiàn)有的增材制造裝備與材料進(jìn)行備件替代件的工藝研究，研究對(duì)象基本滿足了現(xiàn)場(chǎng)使用要求，如需提高備件的質(zhì)量和使用壽命，還需要進(jìn)一步開(kāi)展性能測(cè)試試驗(yàn)和評(píng)估。