航天三院 ：激光增材制造在航天領(lǐng)域的實(shí)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(lǐng)性和產(chǎn)業(yè)推動性。航天裝備（包括運(yùn)載器、衛(wèi)星、深空探測器等空間飛行器及相關(guān)地面設(shè)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(wù)從近地軌道向深空探索、從單一任務(wù)向多樣化任務(wù)的轉(zhuǎn)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(dú)特性等方向發(fā)展，推動航天構(gòu)件結(jié)構(gòu)走向大尺寸、精細(xì)化和異形復(fù)雜化，材料走向高性能化。然而，航天構(gòu)件的生產(chǎn)面臨著制造極限結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，以及高性能材料加工的難題。

增材制造技術(shù)具有一體化成形和制造自由度高等特點(diǎn)，在處理難加工材料和制造復(fù)雜及異型結(jié)構(gòu)方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為航天領(lǐng)域先進(jìn)構(gòu)件的高質(zhì)量制造提供了有效的解決方案。此外，增材制造技術(shù)的高柔性和高研產(chǎn)效率使其能夠滿足航天構(gòu)件多品種、小批量的生產(chǎn)需求，以及快速響應(yīng)任務(wù)的需求，成為航天產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)熱源種類，增材制造技術(shù)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(yùn)動中，電弧的穩(wěn)定性較差，容易導(dǎo)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(dá)到0.13 μm。激光增材制造技術(shù)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(dá)到0.02 μm。激光增材制造技術(shù)因其能量控制精確和熱輸入小，尤其適用于復(fù)雜航天構(gòu)件的精密成形，因此在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用最為廣泛。

激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域中的工程化應(yīng)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(gòu)件高質(zhì)量制造的核心，裝備是實(shí)現(xiàn)激光增材制造工藝的硬件基礎(chǔ)，產(chǎn)線則是推動批量化、高質(zhì)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(yīng)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(shù)制造了RS-25火箭發(fā)動機(jī)的彎曲接頭。2013年，中國航天科工集團(tuán)（CASIC）開始在航天領(lǐng)域中布局激光增材制造技術(shù)的應(yīng)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(shù)應(yīng)用于高溫構(gòu)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(yīng)用于更復(fù)雜、更大型的航天構(gòu)件。例如，Terran-1火箭的9個發(fā)動機(jī)燃燒室均采用了激光增材制造技術(shù)，長征五號火箭的米級芯級捆綁支座實(shí)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(dá)到米級的激光選區(qū)熔化裝備，并且基于增減材復(fù)合技術(shù)的激光熔化沉積裝備的制造精度已經(jīng)達(dá)到了微米級別。在增材制造產(chǎn)線方面，隨著規(guī)�；�生產(chǎn)需求的增加，人們對航天構(gòu)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(shè)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)備過程與制造過程的并行化。2020年，筆者團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了增材制造智能產(chǎn)線的論證和建設(shè)，目前該產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化全覆蓋。


在航天領(lǐng)域需求的推動下，激光增材制造技術(shù)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(gòu)件的發(fā)展趨勢，探討了激光增材制造在高質(zhì)量制造、裝備大型化以及產(chǎn)線智能化方面取得的進(jìn)展，并對航天領(lǐng)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(shí)融合、自決策）的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

航天激光增材制造工藝的應(yīng)用
激光增材制造技術(shù)在激光與局部原料的相互作用下，具有瞬時高能的特點(diǎn)，可制備有利于提高力學(xué)性能的多層級微觀結(jié)構(gòu)。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(diào)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(gòu)件滿足產(chǎn)品的性能和形貌指標(biāo)要求。航天構(gòu)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(gòu)件的尺寸精度。在材料確定的情況下，航天構(gòu)件的性能和缺陷調(diào)控程度相關(guān)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(dāng)掃描間距和層厚過大（通常對應(yīng)低能量密度）時，相鄰熔池可能無法充分重疊，導(dǎo)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(qiáng)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(dǎo)致熔池變長，而在Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定性效應(yīng)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(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，還需要在性能維度進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。這是一個通過參數(shù)權(quán)衡來實(shí)現(xiàn)航天構(gòu)件幾何特征和性能同步精確制造的過程。下文將以航天構(gòu)件的三種典型結(jié)構(gòu)（表1）——大型整體結(jié)構(gòu)、輕量化結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)功能一體化結(jié)構(gòu)為例，介紹激光增材制造工藝在航天領(lǐng)域中的應(yīng)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(gòu)件

1　輕量化結(jié)構(gòu)的激光增材制造
輕量化是航天構(gòu)件設(shè)計中的一個重要目標(biāo)。在航天領(lǐng)域，翼舵、支架等構(gòu)件通過采用格點(diǎn)填充結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輕量化，它們是輕量化結(jié)構(gòu)的典型代表。
以翼舵為例，它是控制航天器飛行姿態(tài)的關(guān)鍵部件。翼舵的設(shè)計通常包括外部的薄壁蒙皮和內(nèi)部的蜂窩或點(diǎn)陣構(gòu)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(shù)，可以實(shí)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(jī)加工量。此外，激光增材制造技術(shù)能夠制造傳統(tǒng)工藝難以制備的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)），有效降低了翼舵的質(zhì)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(jié)構(gòu)特性導(dǎo)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(xì)觀結(jié)構(gòu)（如薄壁、細(xì)桿、中空構(gòu)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(tuán)隊(duì)采用了應(yīng)力離散控制策略，并結(jié)合跨尺度仿真變形預(yù)測技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜點(diǎn)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(dá)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(tuán)隊(duì)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(yīng)用。

圖 2 翼舵展示圖

（a）點(diǎn)陣翼舵整體形貌；（b）點(diǎn)陣翼舵點(diǎn)陣構(gòu)型；（c）蜂窩翼舵整體形貌；（d）蜂窩翼舵蜂窩構(gòu)型

在航天裝備的設(shè)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(shù)使得一些傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜支架結(jié)構(gòu)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(shí)際性能，使其無法完全達(dá)到設(shè)計預(yù)期。為了克服這一挑戰(zhàn)，中國航天科技集團(tuán)有限公司中國空間技術(shù)研究院與南京航空航天大學(xué)、北京理工大學(xué)合作，共同設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)功能一體化結(jié)構(gòu)的激光增材制造
結(jié)構(gòu)功能一體化是航天構(gòu)件發(fā)展的重要趨勢，其中艙段和發(fā)動機(jī)是結(jié)構(gòu)功能一體化構(gòu)件的典型代表。
以艙段為例，艙段是航天器中關(guān)鍵的耐溫結(jié)構(gòu)件，負(fù)責(zé)承載。艙段的外形通常為回轉(zhuǎn)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(jī)加的方法相比，激光增材制造技術(shù)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(jié)構(gòu)的壁厚控制要求。對于異形艙段結(jié)構(gòu)，激光增材制造技術(shù)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(gòu)件，對缺陷的敏感性較高，因此對工藝調(diào)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(zhì)量有很高的要求，這增加了對激光增材制造工藝精細(xì)調(diào)控的需求。細(xì)觀尺度流道的成形與米級尺度構(gòu)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(tuán)隊(duì)結(jié)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(diǎn)、導(dǎo)熱率等）與工藝參數(shù)的低應(yīng)力無缺陷參數(shù)優(yōu)化策略。通過這種策略，實(shí)現(xiàn)了微觀缺陷的精細(xì)調(diào)控，完成了極限結(jié)構(gòu)的高質(zhì)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(jī)是航天裝備中提供動力的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)和功能一體化的特性使其在設(shè)計和制造上具有高度復(fù)雜性和精密性。發(fā)動機(jī)通常具有多行面、多腔道，其結(jié)構(gòu)復(fù)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(tuán)有限公司第六研究院（航天六院）采用激光增材制造技術(shù)對發(fā)動機(jī)推力室隔板加強(qiáng)肋的工藝進(jìn)行了改進(jìn)，成功解決了傳統(tǒng)熔模鑄造因結(jié)構(gòu)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(jìn)的發(fā)動機(jī)已經(jīng)被應(yīng)用在長征二號F遙十二運(yùn)載火箭上。此外，航天六院還利用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和緊湊設(shè)計的著陸巡視器主發(fā)動機(jī)的制備。與原發(fā)動機(jī)相比，新發(fā)動機(jī)的體積和重量減少了2/3，這一改進(jìn)的發(fā)動機(jī)已經(jīng)在天問一號探測任務(wù)中得到應(yīng)用。中國航天科工集團(tuán)第三研究院31所也基于激光增材制造技術(shù)，成功突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)的設(shè)計難題，并實(shí)現(xiàn)了集成一體化制造，使得發(fā)動機(jī)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(jī)

3　大型整體結(jié)構(gòu) 激光增材制造
大型化和整體化是航天構(gòu)件發(fā)展的關(guān)鍵趨勢，其中框梁類構(gòu)件是大型整體航天結(jié)構(gòu)的典型代表。作為主要的承力結(jié)構(gòu)，框梁通常采用壁板加筋的構(gòu)型，具有較大的外形尺寸（通常達(dá)到米級），而相對于其整體尺寸，其構(gòu)件的厚度則相對較薄（在百毫米級別）。由于框梁類構(gòu)件對比強(qiáng)度有較高的要求，鈦合金是這類構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)方案在研制過程中可能需要根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化和更新，激光增材制造技術(shù)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(fèi)。同時，激光增材制造的框梁在性能上能夠達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)鑄造和鍛造方法制造的構(gòu)件。然而，激光增材制造大型框梁構(gòu)件仍然面臨著一些工藝挑戰(zhàn)。在制造大型構(gòu)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(gòu)件的溫度梯度較大，收縮凝固應(yīng)力和熱應(yīng)力等應(yīng)力環(huán)境復(fù)雜，因此這些構(gòu)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(tuán)隊(duì)針對大型構(gòu)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(yù)測、變形補(bǔ)償策略、模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及精細(xì)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(shí)現(xiàn)了米級主梁結(jié)構(gòu)的一體化成形。在中國航天科技集團(tuán)有限公司第五研究院（航天五院）新一代載人飛船試驗(yàn)船的研制過程中，團(tuán)隊(duì)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(zhì)量，還實(shí)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(tuán)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(hù)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(shù)分別制造后再進(jìn)行拼接。這種方法使得直徑達(dá)到5 m的級間解鎖裝置保護(hù)板得以成功制備，并已經(jīng)應(yīng)用在長征五號運(yùn)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(shí)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(xué)、電路電子、機(jī)械工程、信息技術(shù)、軟件工程等先進(jìn)技術(shù)的光機(jī)電一體化智能設(shè)備，它們是實(shí)現(xiàn)航天構(gòu)件高質(zhì)量成形的基礎(chǔ)。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(gòu)件中的復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)，如拓?fù)鋬?yōu)化的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(gòu)件，如框梁結(jié)構(gòu)。這兩種激光增材制造裝備各有優(yōu)勢，互為補(bǔ)充，并得到了廣泛的應(yīng)用。隨著激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用不斷深入，構(gòu)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(dǎo)激光，按照軟件規(guī)劃的路徑熔化粉末，從而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的成形（圖7）。在這一過程中，聚焦光學(xué)系統(tǒng)是決定裝備成形幅面大小的關(guān)鍵因素。為了實(shí)現(xiàn)大幅面且高質(zhì)量的成形目標(biāo)，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(yīng)用，使得激光選區(qū)熔化裝備能夠面向大型航天構(gòu)件的制造需求，進(jìn)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）�；�于l與f的正比關(guān)系，可通過增大焦距的方式實(shí)現(xiàn)裝備幅面范圍的擴(kuò)大。然而，場鏡焦距的增長會導(dǎo)致光斑增大，進(jìn)而導(dǎo)致激光功率密度下降。為了補(bǔ)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(dá)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(kuò)展投影區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)大幅面激光增材制造裝備的設(shè)計（圖9）。2015年，上海航天設(shè)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(kuò)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(kuò)大，但在實(shí)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(jìn)行熔化時，熔化時間的差異較大，可能會導(dǎo)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(fēng)險。此外，單光束成形過程中振鏡的響應(yīng)和移動速度相對較慢，這也限制了大型構(gòu)件的成形效率。

圖 9  移動振鏡擴(kuò)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(jìn)行工作，可以顯著擴(kuò)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(xué)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�；�于這一方法，2023年，筆者所在的團(tuán)隊(duì)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(shù)已成為設(shè)計大尺寸激光選區(qū)熔化裝備的主流技術(shù)，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(shè)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(zhì)量、功率密度、拼接區(qū)域以及跳轉(zhuǎn)性能的一致性是主要的技術(shù)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(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性）也直接影響到構(gòu)件的成形質(zhì)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(diǎn)和中心點(diǎn)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(diào)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(xué)系統(tǒng)數(shù)量，也帶來了新的挑戰(zhàn)，如更多激光同時燒結(jié)產(chǎn)生的大量煙塵顆粒增加了風(fēng)場穩(wěn)定性的保持難度，以及光學(xué)系統(tǒng)數(shù)量的增加導(dǎo)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(kuò)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(jié)合振鏡移動
結(jié)合多激光拼接策略與振鏡協(xié)同激光同步運(yùn)動策略，可以在一定程度上同時確保成形質(zhì)量和成形效率。2017年，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所集成了5個激光掃描系統(tǒng)，將多光束拼接技術(shù)與振鏡移動相結(jié)合，提出了一種幅面可擴(kuò)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(shù)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(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，這增加了保持系統(tǒng)可靠性的難度。光學(xué)系統(tǒng)的高集成化要求在運(yùn)動過程中對光學(xué)、監(jiān)控等系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性進(jìn)行精確控制，這在技術(shù)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(gòu)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(gòu)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(gòu)件的快速制造以及構(gòu)件表面的修復(fù)。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(jìn)行操作：光束運(yùn)動、光束運(yùn)動配合加工平臺運(yùn)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(yùn)動
裝備的加工平臺需要與導(dǎo)光系統(tǒng)和激光系統(tǒng)相匹配，以實(shí)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(jī)床或智能機(jī)械手結(jié)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(jī)械手的末端，機(jī)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(wù)。用于激光加工的機(jī)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(diào)整激光工作頭的姿態(tài)。根據(jù)機(jī)械手臂的工作空間和運(yùn)動方式，它們可以分為四種基本類型：直角坐標(biāo)、球坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)和類人臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)。此外，為了擴(kuò)大工作范圍，機(jī)械手臂的機(jī)座可以安裝在移動機(jī)構(gòu)上。例如，庫卡公司與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所合作開發(fā)的基于機(jī)械臂的增材制造系統(tǒng)，證明了機(jī)械臂在實(shí)現(xiàn)光束運(yùn)動方面的可行性。在這種系統(tǒng)中，機(jī)械手臂的最大可達(dá)距離可以根據(jù)激光加工作業(yè)的具體要求進(jìn)行調(diào)整。

圖 12  配以機(jī)械手的激光熔化沉積裝備

2.2　光束運(yùn)動配合工件運(yùn)動
由于導(dǎo)光系統(tǒng)的柔性限制，Nd∶YAG激光器通常與多軸數(shù)控機(jī)床加工平臺配合使用，以實(shí)現(xiàn)光束與加工工件之間的相對運(yùn)動。與傳統(tǒng)的機(jī)床相比，多軸數(shù)控機(jī)床能夠進(jìn)行多坐標(biāo)軸的聯(lián)動操作，這使得它們能夠制造形狀復(fù)雜的零件，同時保持高加工精度和穩(wěn)定的加工質(zhì)量。常見的多軸數(shù)控機(jī)床除了X、Y、Z三個直線運(yùn)動坐標(biāo)外，通常還包含一到兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸坐標(biāo)。與光纖激光器配合機(jī)器人的打印形式相比，配備多軸數(shù)控機(jī)床的激光熔化沉積裝備在制造復(fù)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?qū)崿F(xiàn)900mm×1500mm×900mm的成形尺寸。

2.3　增減材復(fù)合成形
多軸數(shù)控機(jī)床與聯(lián)動銑削床的結(jié)合，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合制造的混合加工機(jī)床，這是制造增減材復(fù)合裝備的常用方案。在傳統(tǒng)的激光熔化沉積增減材復(fù)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(fù)雜零件的能力，可能導(dǎo)致零件輪廓出現(xiàn)臺階效應(yīng)；在減材階段，也難以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(jié)合的設(shè)計方式，正成為增減材復(fù)合裝備的發(fā)展趨勢（圖13）。在這種設(shè)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(jī)械手上的銑削刀具進(jìn)行五軸銑削減材加工。隨后，再進(jìn)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(shù)和5軸聯(lián)動銑削加工技術(shù)相結(jié)合，推出了全球首臺具備增減材復(fù)合制造功能的機(jī)床。這一創(chuàng)新產(chǎn)品名為Lasertec 65 3D Hybrid，它實(shí)現(xiàn)了增材制造與銑削加工的復(fù)合。近年來，中國的國家增材制造創(chuàng)新中心基于搖籃+轉(zhuǎn)臺的五軸布局形式，成功實(shí)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(shí)現(xiàn)了“加工-測量-補(bǔ)償”的閉環(huán)制造流程。

激光增材制造產(chǎn)線
隨著航天構(gòu)件從研制階段過渡到多件生產(chǎn)，激光增材制造技術(shù)面臨著提升生產(chǎn)效率和確保產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量可追溯性以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的透明化管理，為航天構(gòu)件的高效、高質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有效的解決方案。本部分將關(guān)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(shè)的著力點(diǎn)，并對產(chǎn)線建設(shè)成果進(jìn)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(jī)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(guān)鍵步驟：打印前的準(zhǔn)備工作（包括粉末的上下料、基板的準(zhǔn)備、缸體的準(zhǔn)備以及設(shè)備的準(zhǔn)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(zhuǎn)等）。在采用離散式單機(jī)激光增材制造裝備的情況下，打印前的準(zhǔn)備和打印后的處理所花費(fèi)的時間在整個生產(chǎn)過程中占據(jù)了50%以上的比例，這導(dǎo)致設(shè)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(zhǔn)備和打印后的處理過程仍然主要依賴人工操作。在打印準(zhǔn)備階段，包括粉末的供應(yīng)、基板的搬運(yùn)與安裝、缸體的準(zhǔn)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(zhuǎn)運(yùn)、基板與缸體的分離以及零件的轉(zhuǎn)運(yùn)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(fù)雜，不僅增加了產(chǎn)品的質(zhì)量風(fēng)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(jì)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(zhì)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(dǎo)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(shè)備高可靠性連續(xù)運(yùn)行的需求。由于無法實(shí)時獲取設(shè)備的運(yùn)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(guān)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(jìn)行快速響應(yīng)，也影響了對產(chǎn)品質(zhì)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(gòu)件的制造需求通常表現(xiàn)為多品種、小批量的特點(diǎn)，這使得生產(chǎn)計劃安排（簡稱排產(chǎn)）變得復(fù)雜和困難。在激光增材制造領(lǐng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了單機(jī)設(shè)備的信息聯(lián)通，還未能實(shí)現(xiàn)對增材制造設(shè)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(shè)舉措
目前增材制造產(chǎn)線的建設(shè)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(tuán)隊(duì)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)（圖14）為基礎(chǔ)，闡述激光增材制造產(chǎn)線建設(shè)方面的著力點(diǎn)。

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(shí)現(xiàn)產(chǎn)線全流程自動化運(yùn)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的研究和開發(fā)工作，旨在實(shí)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(yīng)供應(yīng)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(shù)的集成、增材制造產(chǎn)線成套裝備的構(gòu)建。通過這些技術(shù)的開發(fā)和集成，我們成功實(shí)現(xiàn)了增材制造產(chǎn)線的全流程自動化運(yùn)行。

2.2　建立激光增材制造大數(shù)據(jù)平臺，實(shí)現(xiàn)關(guān)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(zhì)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?qū)崿F(xiàn)設(shè)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(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對增材制造設(shè)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(shè)備數(shù)據(jù)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)、質(zhì)量控制系統(tǒng)等進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用；開發(fā)智能監(jiān)控系統(tǒng)，對產(chǎn)線狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并能夠智能識別和跟蹤異常問題，為快速響應(yīng)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(shù)，開發(fā)了一種基于任務(wù)驅(qū)動的增材制造產(chǎn)線協(xié)同控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下幾個關(guān)鍵功能：智能生產(chǎn)調(diào)度與排產(chǎn)，訂單任務(wù)追蹤，生產(chǎn)過程實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測與反饋，物料的高效、精準(zhǔn)配送，智能排產(chǎn)、生產(chǎn)、質(zhì)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(shù)，建立了激光增材制造產(chǎn)線裝備的異常模型，實(shí)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(yīng)用實(shí)踐
2022年，筆者團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了國內(nèi)首條基于5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的激光增材制造智能生產(chǎn)線（圖15），并選擇翼舵構(gòu)件作為典型的應(yīng)用對象，完成了批量生產(chǎn)的應(yīng)用驗(yàn)證。這條智能生產(chǎn)線的實(shí)施帶來了顯著的效益：設(shè)備利用率提升了30%，生產(chǎn)運(yùn)行成本降低了40%，設(shè)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(tuán)隊(duì)的項(xiàng)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(yīng)用” 入選2023年中國智能制造十大科技進(jìn)展。

圖 15  增材制造生產(chǎn)線示范

結(jié)束語
中國航天事業(yè)的快速發(fā)展正推動著航天構(gòu)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(yīng)這一趨勢，我們需要進(jìn)一步挖掘激光增材制造技術(shù)的潛力，持續(xù)為航天事業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。面對科技的最前沿和國家的重大需求，我們應(yīng)該加強(qiáng)激光增材制造工藝突破、裝備研發(fā)和產(chǎn)線建設(shè)方面的協(xié)同攻關(guān)，并系統(tǒng)地規(guī)劃和推動激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用。

為了攻克激光增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的核心技術(shù)難題，我們需要針對航天構(gòu)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(jìn)行深入研究。以下是具體的研究方向和目標(biāo)：

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(shè)計和基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的制造。針對極限減重的目標(biāo)，研究基于激光增材制造技術(shù)的精細(xì)結(jié)構(gòu)極限制造技術(shù)，包括變胞元密度的變幾何結(jié)構(gòu)制備，以及輕量化結(jié)構(gòu)的跨尺度制備工藝。這些研究將推動航天構(gòu)件向更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方向發(fā)展。

3） 多功能一體化制造。研究多層級結(jié)構(gòu)和多材料集成的激光增材制造工藝設(shè)計。通過跨尺度異質(zhì)結(jié)構(gòu)和異質(zhì)材料的一體化成形工藝調(diào)控，實(shí)現(xiàn)航天構(gòu)件在力學(xué)、熱學(xué)、振動、電學(xué)和磁學(xué)等不同功能上的集成。

針對航天領(lǐng)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(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行攻關(guān)：

1） 大型化激光增材制造裝備。針對此類裝備，應(yīng)重點(diǎn)研究大幅面風(fēng)場控制技術(shù)，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(shù)，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(guān)先進(jìn)裝備。在這一領(lǐng)域，應(yīng)致力于提高光學(xué)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(shí)時監(jiān)控。

3） 五軸增減材復(fù)合裝備。對于這類裝備，研究重點(diǎn)應(yīng)放在復(fù)合成形過程中的五軸運(yùn)動軌跡控制上，以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shè)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(xué)習(xí)的機(jī)器視覺算法，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線的自動控制，以及對打印產(chǎn)品缺陷的實(shí)時在線檢測，從而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2） 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用。通過數(shù)字孿生技術(shù)，將實(shí)體裝備在虛擬空間中進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真、流程優(yōu)化、產(chǎn)品改進(jìn)、結(jié)果驗(yàn)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(zhǔn)確。

3） 人工智能技術(shù)融合。結(jié)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(shù)，使產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)自組織、自優(yōu)化、自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)。這樣的智能化產(chǎn)線具有為航天構(gòu)件的生產(chǎn)提供輔助決策的能力，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。