朱 胜 周超极 周克兵

陆军装甲兵学院再制造技术国家重点实验室，北京，100072

0 引言

《中国制造2025》提出坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针[1]，绿色制造、智能制造是制造业的重大工程和发展方向，也是制造强国的重要着力点。为加快实施绿色制造，推动工业绿色发展，工业和信息化部聚焦能源化工、重载机械、航空航天等领域大型重载关重件再制造，研究制定了《高端智能再制造行动计划(2018—2020年)》，并指出到2020年，我国再制造产业规模将达到2 000亿元[2]。绿色增材再制造是绿色制造、智能制造的重要组成部分，符合“科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少”的新型工业化特点。通过推行绿色增材再制造，不仅有利于实现资源的绿色循环再利用，契合建设美丽中国的时代背景，也与《中国制造2025》推进智能制造为主攻方向的指导思想一致，是中国未来经济实现高质量发展的有力举措。

1 绿色增材再制造技术的内涵与特征

增材再制造技术是通过对缺损零件进行反求建模、成形分层、路径规划，并采用智能控制软件和适当的激光、电弧、等离子等载能束增材工艺逐层堆积，最终实现损伤零件的尺寸恢复与性能提升的技术[3]。增材再制造技术能最大限度地挖掘损伤零件所蕴含的附加值，避免废旧零件的直接回炉和再成形等一系列加工中的资源能源消耗和环境污染。增材再制造系统框架及平台实物见图1。

(a)系统框架

(b)实物图图1 增材再制造系统平台Fig.1 System platform of additive remanufacturing technology

增材再制造与增材制造均采用材料逐层堆积的方式进行零件的加工，不同之处在于增材再制造实现的是损伤零部件的“坏中修好”，是在损伤零部件基础上进行的增材修复活动，而增材制造则是实现复杂零部件的“无中生有”，是新品的制造过程。由于增材制造与增材再制造的加工对象不同，所以两者所采用的相关材料、工艺及装备也有所区别。增材再制造的特有技术特征如下：

(1)增材再制造过程首先要对损伤零件进行反求建模获得缺损零件模型，再经离散降维、逐点制造来实现零件缺损部位的堆积成形，而增材制造是数字化模型驱动下的离散-堆积过程。

(2)增材再制造对象种类繁多、材质各异，多数情况下所用的修复材料与零件本体材质不同，这种异质成形修复的界面行为与组织形成是远离平衡态的过程，具有明显的难匹配性和非均匀性特征。

(3)面向高端、在役装备的增材再制造往往是在现场条件下进行的，存在能源、气氛、材料、时效、装配特征等多维约束，而增材制造是在工厂条件下进行的，所受约束较少，因此增材修复成形过程更具挑战性，对智能控制的精度和稳定性提出了更高要求。

增材再制造这种基于数字模型驱动的损伤零件专业化尺寸恢复与性能提升技术是资源循环再利用的重要途径，与制造新品相比，可节约成本50%，节能节材60%，减排70%[4]，是先进制造和绿色制造的重要组成部分。同时，增材再制造也是资源再生利用的高级形式，是发展循环经济、提高资源回收利用率，构建绿色制造体系，走生态文明发展道路的重要举措，更是推进绿色发展、低碳发展，促进生态文明建设的重要载体，高度契合了国家推进的绿色发展战略[5]。

2 发展绿色增材再制造技术面临的机遇与挑战

在全球节能减排呼声逐年高涨和我国政府实施绿色发展战略的大背景下，绿色增材再制造技术正在蓬勃发展，具有市场潜力巨大、政府高度重视的良好机遇。同时，由于其特有的技术特征，增材再制造技术的发展也存在着再制造材料集约化、异质界面匹配性、成形精度难以满足零部件使役性要求等技术挑战[6]。具体表现在：

(1)随着我国能源化工、重载机械、航空航天等领域大型重载关重件“老龄化”现象的不断加剧，以及在远海、隧道等特殊严苛服役环境长时运转，大量大型关重件面临使役性能下降严重、使用维护成本不断攀升甚至报废的问题，增材再制造时间上的滞后性和技术上的先进性契合了损伤零件因失效形式、结构、性能要求等不同而产生的个性化修复需求，实施绿色增材再制造具有显著的社会和经济效益，从而形成了巨大的再制造市场需求。

(2)增材再制造作为绿色制造和智能制造的重要组成部分，已成为循环经济中最活跃且最能体现高技术含量的要素。近年来再制造产业不断得到国家政策的支持，《中华人民共和国循环经济促进法》《关于推进再制造产业发展的意见》《中国制造2025》《高端智能再制造行动计划(2018-2020年)》等一系列政策、法规密集出台，大力推动了再制造产业的发展。

(3)增材再制造生产对象具有种类繁多、材质各异的特点，难以实现增材再制造材料与损伤零件本体材料的完全同质匹配。目前适用于损伤零件异质成形修复的增材再制造材料种类还比较少，为提高增材再制造零件的理化力学性能，满足多数损伤零件增材再制造过程对材料的需求，亟需开展集约化增材再制造材料的设计与制备工作。

(4)增材再制造实现的是损伤零件的“坏中修好”，是在损伤零件的基础上进行的增材修复，其加工对象更复杂，无法将广泛应用于增材制造中基于直角坐标系的三维操作机和控制软件直接用于增材再制造过程。同时，受时间、空间、状态等的多维约束，恒定的工艺规范难以保证增材再制造过程中材料按预定轨迹定量熔化和准确沉积。

(5)在损伤零件增材再制造过程中，修复材料与零件基体材料在熔点、流动性及收缩率等理化特性上具有较大差异，属材料的异质成形，且零件损伤表面往往为不规则表面，因此要实现零部件损伤表面的增材再制造修复还存在异质界面问题。

3 绿色增材再制造技术未来的主攻方向及技术路线

3.1 现场多约束条件下增材再制造反演设计与评价

传统的零件制造过程是以原材料作为生产毛坯，经机械加工、热处理、装配等形成零件成品的全过程，产品零件的制造过程是一个由材料组分、微观结构、加工工艺到使役性能的推演过程。绿色增材再制造是以废旧产品作为生产毛坯，主要针对体积损伤零件开展的增材修复工作，所以其工艺过程设计步骤通常是:首先根据零件的使役性能要求进行失效机理分析，推演出增材再制造零件应具有的理化力学特性，进而判断出待增材修复部位应具有的组织结构和材料成分，并选用合适的载能束加工工艺。这是一个由零件使役性能向理化力学、微观结构、材料组分和增材加工工艺逆向推演的过程[7]。另外，由于废旧零件数量和质量的多样性，以及损伤模式的个性化，使得增材再制造的生产过程无法像生产新品一样采用恒定的工艺规范进行修复活动。实现损伤零件的增材再制造需要较高的工艺柔性，需要根据零件的失效形式、服役环境、材料性能等情况来进行工艺的适时调整，实现绿色增材再制造生产过程的逆向反演。现场多约束条件下增材再制造反演设计与评价研究路线见图2。

图2 现场多约束条件下增材再制造反演设计与评价研究路线Fig.2 Research route for additive remanufacturing inverse design and evaluation under multi-constraint conditions

为满足多约束环境下高端在役装备快速增材再制造的需求，未来增材再制造技术应以技术、环境、经济等因素为边界条件，运用热传导理论、凝固相变理论、模糊数学理论及有限元模拟等方法，从时间、空间、状态等多约束交互作用下的损伤件“使役性能→理化力学→组织结构→材料工艺”的增材再制造反演机制出发，建立涵盖可修复性和再制造性定量评价、修复材料/工艺/装备选择与实施、无损评价与寿命预测的全流程现场增材修复与再制造评价体系。

3.2 在役装备损伤区域高适应性快速三维建模及路径规划

增材再制造是以损伤零件为毛坯，由于各个零件损伤类型、损伤程度以及损伤部位均不相同，这些毛坯具有多样性、小批量、个性化的特点，无法通过设定固定的工作程序实现损伤零件的批量化流水式的修复[8]。在役装备损伤零件进行增材再制造的过程中，准确、快速、完备地实现损伤零件高适应性快速三维建模及路径规划是进行零件增材再制造的重要基础。在役装备损伤区域高适应性快速三维建模及路径规划研究路线见图3。

图3 在役装备损伤区域高适应性快速三维建模及路径规划研究路线Fig.3 Research route for fast adaptive 3D modeling and path planning of damaged area of equipment in service

为满足在役装备现场增材再制造对三维模型数据精度和数据处理效率的需求，未来应重点研究损伤零件现场多模式复合三维测量、损伤模型高效重构及坐标融合、成形策略优选及适应性分析、数模分层及路径规划等关键技术，实现以工业无线物联网架构为基础的具备损伤模型快速获取、成形策略优选、智能化路径规划等功能的软件系统一体化集成。

3.3 面向载能束增材再制造的集约化合金设计与制备

装备零件具有种类繁多、类型多样、数量庞大及材质各异的特点[3]，在使役过程中零件的损伤往往具有复杂性、突发性和随机性，而高端在役装备对维修的时效性要求较高。综合考虑损伤零件快速修复的时效性与经济性等因素，工程实际中很难保证在损伤零件增材再制造过程中实现增材再制造材料与损伤零件材料的完全同质匹配。由此，需基于材料的相容性和异质材料的交互作用规律，开展增材再制造材料集约化设计与制备的研究，以少数广谱集约化材料对不同材质的损伤零件进行增材再制造。面向载能束增材再制造的集约化合金设计与制备研究路线见图4。

图4 面向载能束增材再制造的集约化合金设计与制备研究路线Fig.4 Research route for design and preparation of intensive materials used in the additive remanufacturing process

为满足数量庞大的装备常用铁基、镍基、钛基、铝基零件的增材再制造，应重点研究以非平衡相变理论、非均匀晶界强化机理、弥散强化理论等为基础的集约化材料组元种类匹配和以第一性原理、分子动力学为基础的集约化材料组元含量优化，形成高品质集约化材料设计准则，阐明异质材料增材修复过程中的力学、热学、化学相容性，揭示增材再制造过程合金元素的交互作用规律及其在熔池快速凝固及往复再热循环处理过程中的相变行为，建立集约化修复材料成形质量调控方法。设计和制备出覆盖材料种类多、适应不同工艺的集约化材料，使其既能满足异种材料之间具有良好的冶金相容性，又能保证零件所需的性能且高质量成形是增材再制造领域未来的主攻方向之一。

3.4 在役装备现场增材再制造形性调控关键技术

损伤零件的尺寸恢复和性能提升是绿色增材再制造生产的核心任务。增材再制造技术采用载能束工艺实现损伤部位异质材料的逐层堆积，造成了增材再制造熔覆层与零件基体由二元或多元异质材料体系组成，使得二者之间存在着明显的界面问题。这种异质成形再制造的界面行为与组织形成是远离平衡态的过程，与同质材料增材制造相比，具有明显的难匹配性和非均匀性特征，且零件损伤表面往往为不规则表面，材料难以按轨迹准确沉积、按位置定量熔化。由此，在役装备现场增材再制造对形性协同调控提出了更高的要求。在役装备现场增材再制造形性调控关键技术研究路线见图5。

图5 在役装备现场增材再制造形性调控关键技术研究路线Fig.5 Research route for shape and performance control technology for additive remanufacturing

为满足在役装备现场增材再制造中对形性协同调控的需求，应重点研究以下内容：加强修复材料与损伤结构的工艺相容性，载能束与损伤结构、修复材料交互作用及热质传输行为，异质材料表/界面行为及其内部冶金缺陷的形成机理及控制方法，现场修复再制造内应力演化规律及变形开裂预防技术，现场增材修复再制造组织性能调控方法等，解决在役装备现场增材再制造“形”、“性”控制的工艺稳定性难题。

4 结论

面向高端、在役装备的绿色增材再制造技术高度契合了《中国制造2025》提出的全面推进绿色制造的战略重点。通过推行绿色增材再制造技术，聚焦现场多约束条件下增材再制造反演设计与评价、在役装备损伤区域高适应性快速三维建模及路径规划、面向载能束增材再制造的集约化合金设计与制备、在役装备现场增材再制造形性调控关键技术等未来重点主攻方向，构建绿色增材再制造技术体系，不仅有利于实现资源环境的可持续发展，也必将助推中国未来经济的高质量发展。