计算机集成激光三维增材成形制造平台

颜永年，荆 红，张定军，陈振东

（江苏永年激光成形技术有限公司，江苏昆山215300）

计算机集成激光三维增材成形制造平台

颜永年，荆 红，张定军，陈振东

（江苏永年激光成形技术有限公司，江苏昆山215300）

将激光熔覆沉积（LCD）和选择性激光熔化/烧结（SLM/S）两类最重要的金属增材成形技术中的CAD模型、分层与路径规划、工艺参数和激光使能系统等相关信息和异构数据，通过采用CIMS的技术原理和系统集成方法，构建了L-SS（LCD-SLM/S）激光增材成形平台，实现了在计算机管控下，将信息数据资源与多台3D打印设备、激光器的优化配置，大大提高了信息共享度、资源利用率和节能效率。

激光熔覆沉积；选择性激光熔化成形；选择性激光烧结成形；计算机集成制造系统；3D打印

近年来，3D打印技术作为一种新兴的成形技术得到了长足的发展，出现了许多种成形工艺。特别是2013年2月，美国总统奥巴马在他的演讲中多次提到3D打印技术，称其将加速美国经济的增长，更加促使3D打印技术在国内外得到广泛的重视。

在激光三维增材成形技术领域中最重要的、用途最广的3种技术是激光熔覆沉积成形（LCD，laser cladding deposition）、选择性激光熔化成形 （SLM, selective laser melting及选择性激光烧结成形（SLS, selective laser sintering）[1]。

目前这些成形工艺都已经得到了一定的发展，但由于成形工艺的不同，它们都拥有各自独立的3D打印成形设备，即每台设备都拥有独立的控制系统、激光器、冷却系统、运动平台、惰性气氛环境等。这些并不符合现代集成制造的理念，也造成了许多资源的浪费。综合考虑这些成形工艺的现有产品，不难发现这些产品都必需有产品CAD模型，具有相似的分层和路径规划及相似的工艺参数设置。如果采用CIMS的技术原理和系统集成方法[2]，将这些相关信息和异构数据及激光使能系统进行集成，统一在计算机管控下，实现这些信息数据资源与多台3D打印设备、激光器的优化配置，就能大大提高信

息共享度、资源利用率和节能效率[3]。

这样的平台同时拥有LCD和SLM/SLS的功能，即涵盖了3D激光成形制造的绝大部分功能；同时实现了一些贵重、昂贵的设备子系统的共用（如激光器系统），可提高激光金属三维增材成形设备的性价比，提高生产效率，减少设备和工程投资。

1 3种激光三维增材成形技术简介[4]

1.1 激光熔覆沉积成形（LCD）

LCD技术，即激光工程净成形（LENS，laser engineering net shaping）技术。该技术在1999年被评为世界最有活力的25项高新技术之一。经过十几年的发展，LCD已发展成为可以成形重型、大型、各种合金材料、结构件的激光熔覆成形技术，并已得到了广泛的应用。

LCD最重要的优点在于它是无偏析 （segregation-free）和高柔性（high flexible）的金属成形技术。LCD技术根据金属粉末供给方式的不同，可分为同轴送粉和偏轴送粉。

LCD技术有不同的方法可以将金属熔滴沉积在需要的界面上。采用二维联动运动模式可以将金属熔滴沉积在平面上；采用五轴联动可以将金属熔滴沉积在空间曲面上。

由于采用LCD技术可以将金属熔滴沉积在任意界面，因此LCD技术具有广泛的应用：磨损零件之表面——受损零件的修复；支撑结构的表面——金属结构件的直接制造；异种金属之表面——材料梯度结构成形制造等。

LCD可完成大尺寸、大重量、高性能、高可靠性的金属结构件，受到了航空等高端制造界的青睐。

1.2 选择性激光熔化成形（SLM）

SLM工艺就是使激光根据扫描路径对当前层粉末（已铺在粉床上并被压实的粉末）聚焦，完全熔化被聚焦的粉末及已成形的金属实体的表层，使其熔为一体而成形。

在三维打印家族中，SLM在成形件的复杂程度方面名列第一，可完成嵌套性、蜂窝性和三维曲线腔管性结构的成形。

1.3 选择性激光烧结成形（SLS）

SLS工艺是通过控制激光并根据扫描路径对当前层粉末（已铺在粉床上并被压实的粉末）聚焦，仅熔化被聚焦的粉末和已成形金属实体的表层，使其互相连接成一体而成形。SLS与SLM具有相同的成形机理，仅激光功率大小不同。采用SLS与SLM一样，可完成复杂的、其他工艺难以完成的嵌套性、蜂窝性、三维曲线腔管性结构。

2 基于CIMS原理的大功率金属激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台（L-SS平台）[5]

2.1 CIMS定义

CIMS（computer integrated manufacturing system）即计算机集成制造系统，是用信息技术（包括计算机技术、自动化技术、通讯技术）和现代管理技术、加工制造技术来改造传统制造业、支持新兴制造业、提高企业市场竞争能力的一种高技术。

2.2 L-SS平台简介

LCD和SLM/S是两类最重要的金属增材成形技术。将这两类工艺中的CAD模型、分层与路径规划、工艺参数和激光使能系统等相关信息和异构数据等资源集成在一起，基于CIMS（计算机集成制造系统）的理念、管理模式及数据库技术，构建L-SS （LCD-SLM/SLS）激光增材成形平台，实现了在一个主控计算机管理和控制系统的管控下，采用多台激光器系统而形成的激光网络（包括激光器件、冷水机、电源、控制器）、真空系统、惰性气体等辅助系统，通过光纤和光闸实现“全功率分时”、“分功率同时”和 “分功率分时”，传输给各LCD的熔覆头和SLM/S的振镜系统等终端设备，完成LCD、SLM和SLS的工艺。

在L-SS平台上，LCD可完成大尺寸、大重量、高性能、高可靠性的金属结构件；SLM/S可完成复杂的、其他工艺难以完成的嵌套性、蜂窝性、三维曲线腔管性结构。集成LCD、SLM、SLS形成统一的L-SS平台，将信息数据资源与多台3D打印设备、激光器进行优化配置，这属于国际首创，可大大提高信息共享度、资源利用率和节能效率。

我国第1个L-SS平台是由江苏永年激光成形技术有限公司设计建造的4000 W的L-SS平台，即4000W L-SS-1型平台（图1），坐落于江苏昆山，其结构示意图见图2。图3是4000W L-SS-2型平台。

图1 江苏昆山的4000 W L-SS平台

我国第2个L-SS平台位于四川绵阳，为10000W 的L-SS平台（图4）。

过程。

图2 4000 W L-SS-1型平台结构示意图

图3 4000 W L-SS-2型平台结构示意图

图4 四川绵阳的10 000 W L-SS平台结构示意图

2.4 L-SS平台组成

大功率金属激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台（L-SS平台）由“计算机集成管理-控制系统”、“成形-修复子平台”和“部件”组成。

2.4.1 计算机集成管理-控制系统

计算机集成管理-控制系统集成了CAD模型、分层与路径规划、工艺参数和激光使能系统等相关信息和异构数据；通过光纤和光闸实现了主控计算机管理与控制下激光器系统的“全功率分时”和“分功率同时”运行；利用激光网络的光路选择与控制技术，解决了激光器至各LCD熔覆头和SLM/S振镜系统等终端设备的激光传输问题；利用现场总线技术和多线程通讯技术，解决了软件平台与设备终端的链接及通讯问题；实现了整个运行过程的可视化，使用户可通过观测历史数据曲线分析设备运行状态，通过CDD监控设备运行情况，通过设备状态信息获取加工剩余时间。

计算机集成管理与控制的软件系统包括：激光控制系统；LCD、SLM、SLS设备终端控制系统；数据采集与设备运行状态监控系统；监视和报警系统等（图5）。

图5 计算机集成管理-控制系统框图

2.3 L-SS平台的主要结构和功能

（1）此系统采用先进激光器作为光源，采用光纤传导和光学透镜系统两种外光路传导系统，管路送粉系统和铺粉系统为激光融覆-烧覆-烧结过程提供金属粉末。

（2）执行融覆工艺时，在密封的惰性气氛加工室内安装有三轴数控机床，激光熔覆喷头安装在Z向移动轴上，熔覆金属而成形。

（3）执行烧覆和烧结工艺时，激光扫描系统将激光聚焦在粉床的粉面上，熔覆或烧结金属而成形。

（4）通过充入氩气排除密封加工室内的空气，利用净化系统去除惰性气氛加工室内的氧和水，使整个激光融覆-烧覆-烧结过程处于惰性气氛工作环境，减少氧化，保证质量。

（5）通过CCD云台摄像监视系统监视观察加工

L-SS集成平台软件控制系统一期系统可完成以下功能：①对激光网络进行光路选择与控制；②对终端进行开闭控制；③实现对终端及PFO数据的采集与存储；④ 将设备运行状态可视化，能进行数据的分析和预估工作；⑤ 对设备进行监控和报警；⑥根据使用者权限确定系统开放的功能；⑦能实现对设备的半自动化管理。

L-SS集成平台软件控制系统的一期功能设计见表1。其功能结构见图6。

L-SS平台的数据库包括产品数据库（含模型库和工艺库等）、材料数据库（含金属材料库和非金属材料库）、设备数据库及典型案例库。

2.4.2 成形-修复子平台

成形-修复子平台包括轴杆类子平台、盘类子平台、LCD子平台、SLM子平台、SLS子平台等。另

表1 L-SS集成平台软件控制系统的一期功能设计

图6 L-SS集成控制系统的功能结构图

外，LCD和SLM子平台共用一个惰性气氛成形室及相应的支持子系统。

2.4.3 部件

部件包括激光器部件、熔覆-机器人部件及气体净化（真空系统）部件。

3 L-SS平台设计参数

本平台可达到的技术指标见表2和表3。

表2 LCD工艺技术指标

表3 SLM/SLS工艺技术指标

4 L-SS平台的应用

L-SS平台集成了3种激光三维增材成形工艺，因此具有广泛的应用前景。

4.1 LCD技术的应用领域

LCD技术具有以下特点：

（1）本平台中的LCD工艺将制造功能与修复功能统一起来，即通过金属微滴在支撑结构或磨损的零件上沉积组装，而完成成形制造和修复制造。

（2）本平台各工艺均为高度节材、节能的技术，可将材料利用率从锻造工艺的10%～20%提高到80%～95%。

（3）本平台可完成梯度材料结构，这是现代高端结构的新发展。根据结构件的硬度、韧性、强度、冲击韧性，由表及里，深按度之不同，合理配置材料，利用本平台逐层熔覆组装为一体，这是传统工艺无法完成的。

（4）本平台用于任何难熔、难变形金属，特别是高温合金、钨、高强钢等材料的预成形和终成形及修复。

（5）本平台可完成完全无偏析、等轴、细小、均匀晶粒的高端结构件的直接制造。

LCD技术广泛适用于以下领域：

（1）各种轴、轧辊、盘、汽轮机叶片等零件的修复，也可用于汽车缸体铸件的修复（图7～图10）。

图7 轴类的修复

图8 挤压模的修复

图9 曲轴锻模的模修复

图10 盘类件的表面熔覆--修复

（2）用于模具“材料梯度结构”制造。即通过LCD喷头对模具的不同部位熔覆沉积不同的材料：表层为模具钢、不锈钢；底层为导热系数优良的铜合金；其间为缓冲层，完成先进的具有“材料梯度结构”的注塑模（图11、图12）。通过此方法，模具寿命大幅提高，且能提高生产效率35%～50%。

图11 材料梯度结构显微图

（3）用于表面强化及合金化处理。对于各种在使用过程中出现裂纹、划伤、磨损、崩塌等现象的模具进行激光熔覆修复，可较大地提高其抗磨损性能和损伤阈值，硬度比淬火前提高约2.5倍 （并得到0.2～0.4 mm的淬火层深），从而使工件的耐磨性能提高3～5倍。

图12 注塑模

（4）对各种重型、大型汽车覆盖件的拉深、翻边、修边、冲裁等模具进行表面硬化及耐磨化，使刃口强韧化；对重型、大型汽车模锻和热挤压模具进行红硬化处理，从而大大提高其工作寿命。

（5）应用于航空航天领域，大量钛合金高端结构件可一次成形（图13～图15）。

图13 C919飞机翼肋

图14 航天飞行器舵

图15 涡轮盘

4.2 SLM技术的应用领域

（1）随形冷却流道

随形冷却流道 （CCC，conformal cooling channels）是现代高端模具制造技术之一。它以合理的距离沿着型腔（空间三维曲线）分布，曲线型流道可方便地绕开塑料制件顶出系统，不会发生几何干涉，良好地实现了模具插件和型腔温度优化分布。

本平台制造随形冷却流道模块，其流道部分一次最终成形；其型腔部分则初步成形（需进一步精密加工）。流道截面形状可以是长方形、方形等任意形状；流道内表面可以制造成微栅格形状，以提高换热系数，这些都是传统加工方法无法完成的。

某电视的底座支架注塑模有动模小镶件和滑块镶件，其设计特点见图16～图21。

图16 动模小镶件和滑块镶件

图17 动模小镶件和滑块镶件的设计特点

图18 动模小镶件和滑块镶件的冷却水路

图19 动模小镶件原始水路与优化后的随形水路对比图

图20 滑块镶件原始水路与优化后的随形水路对比图

图21 模具镶件3D打印（SLM）设计图

通过对直通水路的改进设计，采用随形水路进行冷却，使随形水路模具的冷却周期大大缩短。其对比情况见表4。

表4 直通水路模具与随形水路模具冷却周期的对比

（2）大型模具的修复，特别是汽车模具表面强化和修复

汽车覆盖件（如驾驶室、引擎盖）等冲压成形模具一旦工作部分磨损（尽管整体完好），必须更换新的模具，否则，冲压件质量会下降而导致无法装配，从而造成模具的具大浪费，耗损巨大。

由于覆盖件成形模尺寸较大，进行热处理较困难。很多企业往往不进行热处理或仅采用火焰法进行处理，更增加了模具的磨损。SLM工艺可用于对汽车拉深、翻边、修边、冲裁、冷挤压、热模锻模的表面熔覆、修复。

4.3 SLS技术的应用领域

（1）近年来，无人机的迅猛发展对机载复杂零部件的重量和强度等要求越来越高，这些复杂的零

部件通常要求重量轻，且采用一体化成形（图22）。SLS技术多用于轻量化与一体化结构的成形 （图23）。

图22 无人机载复杂的零部件

图23 轻量化与一体化结构

（2）钛合金是生物相容性极好的合金，其蜂窝结构、轻量化结构、一体化结构大量用于医疗器械领域，如支架置入体、蜂窝置入体、修复损伤骨组织、疏松骨组织、组织工程支架等。本平台的SLS工艺具有优良的各类钛合金成形和修复能力 （图24～图26）。

5 总结

图24 钛合金胯关节

图25 钛合金蜂窝颅骨支架

图26 钛合金蜂窝置入体

结合工程应用的实际需求，基于CIMS原理的大功率金属激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台（LSS平台）集成LCD、SLM、SLS等3种工艺于一个统一的平台。将CIMS的集成制造理念、系统集成、信息技术与3D打印技术相结合，把激光网络和多台LCD、SLM、SLS构成的3D打印设备终端，通过主控计算机的集成管理与控制，创建计算机集成大功率激光熔覆-熔化-烧结成形制造平台，填补了重型高端激光3D打印系统的国内空白。

L-SS平台采用CIMS的理念、管理模式、数据库技术，将激光网络与3D打印终端设备相集成，具有集成化、数字化、智能化、敏捷化、网络化和绿色化的特点。不仅大大提高信息共享度、资源利用率和节能效率，也使L-SS平台具有广泛的应用范围。

[1] 颜永年，张伟，卢清萍，等.基于离散/堆积成型概念的RPM原理和发展[J].中国机械工程，1994，5（4）：64-66. [2] Yan Yongnian，Du Zhaohui，Wang Jianguo.Rapid prototyping and manufacturing(RP&M)technology and its integration with CIMS[C]//Proceedings of the sixth Chinese-Polish Conference Computer Aided Design in Machinery. Warsaw，Poland，1996.

[3] 范玉顺，吴澄，石伟.CIMS应用集成平台技术发展现状与趋势[J].计算机集成制造系统，1997（5）：3-8.

[4] 颜永年，单忠德.快速成形与铸造技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[5] 吴澄.现代集成制造系统的理论基础——一类复杂性问题及其求解[J].计算机集成制造系统，2001（3）：1-7.

Laser Three-dimensional Additive Forming Manufacturing Platform by Computer Integrating for LCD-SLM-SLS

Yan Yongnian，Jing Hong,Zhang Dingjun,Chen Zhendong
（Jiangsu Yongnian Laser Forming Tech.Co.,Ltd，Kunshan 215300，China）

LCD (laser cladding deposition)and SLM/S (selective laser melting/sintering)are two kinds of the most important metal addictive forming technologies.In the paper，it was proposed that the Laser addictive forming platform was built based on all information and heterogeneous data about the CAD model，layering，path planning，parameters of process and Laser System by using the technology principle and system integration methods of CIMS (computer integrated manufacturing system).The LSS (LCD-SLM/S)platform integrates all data，optimizes 3D-printer and laser devices under the control of computer and greatly improves the degree of information sharing，the ratio of information utilization and energy efficiency.

laser cladding deposition(LCD)；selective laser melting(SLM)；selective laser sintering (SLS)；computer integrated manufacturing system(CIMS)；3D printing

TG66

A

1009－279X（2014）03－0001-07

2014-04-12

颜永年，男，1938年生，教授。