國家重點研發計劃——智能化技術推動增材製造質量提升

國家重點研發計劃「智能化增材製造系統平臺」項目，主要針對航空、航天、兵器等領域關鍵構件快速、可靠、高質量定製化研製生產的迫切需求，構建具備工藝推理功能、可擴展的工藝參數庫和知識庫；研發過程監測與控制等關鍵智能模組，形成在線監測反饋系統及裝備自診斷系統；建立增材製造過程工業標準體系與開放式增材製造智能化平臺，解決影響增材製造成形精度質量的關鍵瓶頸問題，為我國增材製造裝備研製與應用提供技術支撐。

該項目由南京理工大學牽頭承擔，下設「智能工藝參數庫和知識庫」「智能在線監測與反饋調節系統」「增材製造裝備自診斷與自檢測關鍵技術研究與系統開發」「智能平臺研發及集成驗證」4個課題，項目執行期限為2017年7月至2020年12月。本期，3D列印技術參考介紹該項目已取得的中期結果，內容作者為項目負責人、南京理工大學副校長廖文和教授。

01

智能工藝參數庫和知識庫

1.1 增材製造高效高精度工藝數據處理軟體系統開發

實現了複雜三維模型高效、高精度切層，對於提升增材製造工藝數據處理效率、改善零件成形質量具有重要意義，從切層計算（圖1）和路徑規劃兩個層面提升了數字模型的工藝數據處理效率2倍以上，自主研發了增材製造數據處理系統。

圖1 高效切層計算算法測試

1.2成形工藝、材料、模型結構、成形參數、成形質量耦合關係機制研究

項目將成形缺陷分為翹曲變形、裂紋、熔道搭接不良、孔隙、球化等5類缺陷類型，通過鋁合金、鈦合金等材料的SLM/LDM工藝試驗，研究雷射功率、掃描速度、掃描間距、層間厚度等重要工藝參數對成形過程及成形質量的影響規律，研究輸入能量密度對試件孔隙的尺寸以及分布的影響，闡明了孔隙、裂紋、變形等缺陷形成機理，以及成形材料-工藝-參數與質量的耦合關係。

1.3 模型特徵與工藝參數的關聯機制研究

通過AlSi10Mg鋁合金懸垂特徵工藝試驗，研究了輪廓雷射功率、輪廓掃描速率以及填充線角度對不同懸垂角度下懸垂面成形質量的影響規律。通過鈦合金懸垂圓孔工藝試驗，研究了圓孔圓度、尺寸精度隨實體功率、實體掃描速度、掃描線角度及輪廓掃描次數的變化規律，完成了圓孔、懸垂、點陣等特徵的成形工藝優化。

1.4 基於特徵識別的成形路徑智能規劃

基於結構特徵的智能識別方法，實現了懸垂、圓孔、臺階、稜邊、薄壁等5類典型特徵的形貌識別，建立了特徵區域與切層輪廓的位置關聯，根據關聯區域實現切層輪廓分區，從而針對切層輪廓的不同區域分配不同的工藝參數，完成了成形工藝路逕自適應規劃方法。

1.5 工藝參數庫和知識庫系統

基於前期的工藝試驗研究，開發完成工藝參數庫系統1套（圖2），包括TC4/TC11/316L不鏽鋼/AlSi10Mg/PLA/PEEK/鎳基高溫合金/光敏樹脂等8種材料、SLM/LDM/FDM/SLA/WAAM等5種工藝的在內的200組以上工藝參數組合。完成知識管理及知識查詢功能的設計，通過知識庫查詢到500條以上工藝知識。

圖2 工藝參數庫和知識庫系統

02

智能在線監測與反饋調節系統

2.1 溫度場監測模組研發

開展了基於熱輻射光檢測的溫度場在線監測模組研發，完成了熔池平均溫度輻射和熔池尺寸監測的基本功能開發。其中，熔池平均溫度輻射系統主要由銦鎵砷探測器、數據採集卡、數據分析處理軟體及計算機組成，熔池尺寸監測系統主要由高速相機、基於可編程FPGA的Cameralink卡、數據分析處理系統及計算機組成。

2.2 缺陷雷射超聲監測模組研發

建立了基於不同檢測方式的三套缺陷雷射超聲監測系統，其中，基於接觸式壓電檢測的掃描式光聲壓電監測系統缺陷檢測解析度優於200μm，基於光聲中間量-熱輻射量檢測的掃描光熱輻射監測系統缺陷檢測解析度優於50μm，基於光反射探測的脈衝雷射超聲系統缺陷檢測解析度優於200μm。

2.3 熔池狀態雷射超聲監測模組研發

開展了基於空氣耦合檢測的熔池狀態雷射超聲監測模組研發，具體包括高靈敏度空氣耦合超聲換能器研究、超聲波信號提取分析算法、不同熔池狀態對超聲信號的影響等。目前正在建立基於空氣耦合檢測的雷射超聲監測系統。

2.4 變形狀態雷射監測模組研發

開展了基於雷射測距原理的工件變形狀態雷射監測模組研發，完成了工件變形量檢測基本功能開發。系統主要由雷射輪廓儀、二維掃描平臺、系統控制及數據分析處理軟體、計算機組成。目前，模組能實現工件表面輪廓檢測，且形變檢測靈敏度優於20μm。

2.5 智能刮刀應變監測模組研發

開展了基於陣列式壓電檢測的鋪粉質量刮刀應變監測模組研發，完成了應變檢測基本功能開發。系統主要由陣列式壓電傳感器、多通道壓電信號處理電路、多通道同步數據採集卡、數據處理及分析軟體和計算機組成。目前，該模組智能刮刀形變監測靈敏度優於10μm。

03

裝備自診斷與自檢測關鍵技術研究與系統開發

3.1 增材製造裝備自檢測體系架構搭建

建立了具有狀態自檢測和故障自診斷功能的智能化增材製造裝備系統模型，搭建了增材製造裝備自診斷與自檢測體系架構，制定了裝備系統整體設計方案。自診斷和現場數據由通用數據採集平臺實現，可採集數據包括各動作軸伺服驅動運行狀態及報警代碼、雷射器運行狀態、熔池形態及溫度、送粉狀態、設備加工倉水氧及粉塵含量、倉門保護狀態、水冷機運行狀態、加工環境溫溼度等。

3.2 增材製造設備狀態數據採集平臺搭建

搭建了數據採集平臺，針對送粉式3D列印設備，實現24種設備狀態參數信號的採集、6種設備故障信號的採集，系統支持數字量、模擬量、modbus、S7、TCP/IP、OPC、Profinet等主流通訊方式。針對鋪粉3D列印設備，可實現22種設備狀態參數信號採集、4種設備故障信號採集。在以上兩類系統中，數據採集模塊共支持15類主流通用傳感器設備。

3.3 設備狀態數據分析軟體開發

通過對智能裝備的功能性、生命周期性、故障屬性進行系統性描述與建模，實現了智能裝備全生命周期下的自適應監測、複雜故障關聯診斷、健康狀態預測，開發了故障診斷專家系統。可對送粉設備進行故障的診斷，對11種設備維護需求進行提示，對3類產品質量問題進行判定，故障誤報漏報率≤10%，故障響應時間≤0.5s。

3.4 增材製造流數據預處理過程異常值在線檢測

分別從統計模型和小波分析的兩個角度出發，提出了兩種針對增材製造流數據預處理過程異常值在線檢測的方法。兩種方法在增材製造過程中通過實際工業過程數據的驗證，均獲得良好的檢測效果，為增材製造流數據的預處理提供了較好的方法依據。

04

智能平臺研發及集成驗證

4.1 研製了智能化350金屬增材製造平臺設備

完成了智能化350金屬增材製造平臺（圖3）的設計，設備已投產。集成後的智能化350金屬增材製造平臺將具備完善的在線監測以及診斷修正功能，能夠監測熔池溫度、熱源、缺陷分布以及鋪粉質量，同時對上述監測量加以診斷修正，繼而進行熱源、空間掃描、鋪粉反饋調節控制，實現平臺的穩定運行。平臺還具備完善的整體採集技術、信號分析故障診斷以及故障預警及自保護功能。

4.2 完成了智能化增材製造標準體系的設計

梳理出智能增材製造相關標準13項，形成企業標準草案13項。其中形成1項宇航團體標準草案並完成徵求意見階段。形成的智能化350金屬增材製造平臺（設備）技術協議涵蓋智能檢測系統及自診斷系統。

圖3 智能化350金屬增材製造平臺（設備）

4.3 研發了智能化設備實時控制系統

智能化設備實時控制系統提供對SLM設備的監控、運動控制、氣氛控制、導入文件控制、列印製件以及測試等功能。軟體採用模塊化編程思想、Model-View-Control設計思想，確保界面與處理程序分離，採用多線程處理方式，提高用戶交互的體驗。該系統已投入市場應用。

4.4 應用案例實施推進

開展了應用案例的實施推進，實現了鋁合金、不鏽鋼、鈦合金不同材料製件的增材製造，獲取了智能化增材製造系統平臺驗證所需的工程數據。航天、航空發動機等關鍵領域增材製造應用案例庫逐漸豐富，已完成90多例典型應用零件的前期列印測試，實現了多領域、多材料的突破（圖4）。

圖4 典型應用案例數據及前期列印測試

項目負責人簡介

廖文和，教授，博士生導師，南京理工大學副校長。國家「萬人計劃」領軍人才，航空宇航科學與技術國家學位委員會學科評議組成員，全國航空航天工程專業學位教學指導委員會副主任委員，國家網絡化製造與智能工廠重大專項總體組專家，中國宇航學會常務理事，中國航空學會常務理事，中國增材製造產業聯盟專家委員會委員，「數控成形技術與裝備」國家地方聯合工程實驗室主任，是國內航空宇航製造知名專家。長期從事難成形材料增材製造技術、微小衛星總體設計、航空航天產品數位化設計製造技術基礎與重大型號工程應用等領域的研究，先後主持和完成了國家/省部級重大科研項目20餘項，所帶領的科研團隊成功研製並發射了我國首顆隱身微小衛星，及五顆立方體衛星，獲國家教學成果獎一等獎、二等獎各1項，國家科技進步獎二等獎、三等獎各1項，省部級科技進步獎一等獎、二等獎11項。

先後獲得全國優秀科技工作者、江蘇省勞動模範、第四屆高校青年教師獎、江蘇省青年科學家獎、江蘇省青年科技獎等榮譽稱號，新世紀國家百千萬人才工程國家層面人選，江蘇省有突出貢獻中青年專家、江蘇省333人才工程中青年首席科學家。

註：報告全文已上傳。