先进摩擦增材制造控制系统总体设计与过程仿真

薛凤桐，刘海滨

（中国航天系统科学与工程研究院，北京 100048）

前言

《中国制造2025》[1]中提出了我国实现制造强国的“三步走”战略目标，逐步推进工业化和信息化的融合，推动智能制造的发展。而作为智能制造的重要组成，增材制造（Additive Manufacturing，简称 AM），又称“3D打印”，一直备受社会关注，并在科研单位和创新企业中成为热点研究领域。当前主流的增材制造技术主要包括：激光增材制造、电子束增材制造和等离子增材制造等方式。增材制造的出现，使得制造业有了新的活力，使得复杂的多腔零件有了一次性加工成型的可能。但是增材制造也不尽完善，存在着各种各样的不足，比如材料利用率不高、存在空洞等缺陷。所以，已有的增材方式还有待完善，也有待开发新的经济高效的增材方式。

本文介绍了一种新的增材方式——先进摩擦增材制造（Advice Friction Additive Manufacturing，简称AFAM），对当前AFAM的发展状况以及与其他增材方式进行了分析和比较，提出了AFAM控制系统的总体设计方案，最后在“软件定义制造”的思路下给出了AFAM加工过程仿真的技术路线。

1 先进摩擦增材制造

1.1 先进摩擦增材制造

在2001年，美国北德克萨斯州大学著名的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）学者Rajiv Mishra教授就提出了摩擦搅拌处理[2]（Friction Stir Processing，FSP），而且在10余年的实践中给出了摩擦搅拌增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing，FSAM）的过程，并在美国国家科学基金和美国军方的支持下得到了铝合金和镁合金的试验验证[3][4]。这里所说的FSAM技术是以板材为进料，利用FSW原理进行的增材。之后印度学者J. John Samuel Dilip利用旋转的棒料开展了摩擦沉积，实现了304不锈钢的增材[5][6]。2015年，美国的Jacob Rollie Calvert在其硕士期间实现了镁合金粉末作为进料的增材制造，为推动FSAM带来了新的动力[7]。

先进摩擦增材制造（AFAM）是在FSAM基础上进行的改进与升级。AFAM同样利用FSW的原理，在高速旋转的刀具作用下与进料摩擦，随着温度的升高进料软化，通过刀具的压力实现一层一层的“增长”，增材工艺的简易过程如下图1所示。

AFAM是先进技术研究院的东青高工与2017年8月提出的概念，同时以颗粒料为输入在无任何夹持的条件下成功实现了铝合金的增材[8]；同年11月，并将一台普通铣床成功的改造成了AFAM概念样机[9]。虽然与FSAM有同样的机理，但AFAM丰富了进料的形式，进料不仅可以是板材，也可以是棒料、颗粒或是粉末。同时在其摩擦搅拌的过程中创建了“真空微环境”，避免了半固态金属的氧化，这样对增材结果的质量提升起到了积极的作用。此外，AFAM还在增材后的部分加入了锤锻处理，使得增材材料的结构更加致密。2017年12月，AFAM已经发展出利用刀具顶端和侧部进行增材的两种增材方式，AFAM已经加快了发展的步伐。

图1 AFAM增材工艺的简易过程图

表1 AFAM与其他增材方式的对比

1.2 AFAM与其他增材方式的对比

表1给出了AFAM技术与激光增材制造、电子束增材制造、等离子增材制造等其他增材方式的对比，分别从精度、成型速度、性能、零件复杂度、零件尺寸以及成本等不同角度进行论述。

根据表1，并结合AFAM的工艺过程，可以得出其具有如下特点：

（1）成型件性能优异：基于FSW技术，获得“纯焊核”组织，晶体细小、均匀，性能达到甚至超过母材。

（2）增材材料广泛：相比较其他增材制造方式，FSAM适合于轻合金，激光增材制造等并不适合；而且对于材料的形态没有限制，可以使板、条、颗粒或粉末，无需专门制备。

（3）增材效率高：相比激光、电子束等方式，FSAM技术更适合于中大型结构件增材制造。

（4）成本较低：一是设备成本低，热源产生于刀具与材料的摩擦，只需提供较高的旋转速度，相比较激光、电子束等发生器成本低；二是增材材料较易获得，材料成本降低；三是适合老旧机床的改造，降低报废比例。

（5）绿色环保：一方面耗能小，另一方面不产生任何废水废气。

目前，AFAM还处于起步阶段，国内外的摩擦增材试验均是在镁铝等轻合金上开展的。国内南昌航空大学柯黎明教授利用铝合金板材（YL12）开展增材试验，先进技术研究院的东青高工是以铝合金（7050）颗粒/粉末为增材材料。国外（以美国为主）则是以WE43镁合金为主，涉及板材（Mishra教授）和粉末（Calvert），同时也有学者在以铝合金展开试验。印度学者Dilip以“摩擦沉积”的形式实现了AISI 304不锈钢的增材。摩擦增材一般集中在镁铝等轻合金上主要是由于其工艺特点决定的，摩擦增材是基于搅拌摩擦焊（FSW）的，FSW已经成为轻合金焊接的主要方式之一，所以AFAM所面向的材料集中于轻合金，特别是广泛应用与航空航天的铝合金和镁合金。

虽然目前AFAM技术还处于探索研究阶段，但关于其应用前景，美国著名的FSW学者Mishra教授认为“FSW将成为新一代增材制造的核心技术”，并且给出了应用领域[15]：第一，航空航天领域内刚性的筋板和梁结构，比如机身平面板的加强筋，航天大型锻件15米大环（2219铝合金）等；第二，化工和核部门的抗蠕变结构，如圆柱形压力容器；第三，其他应用领域的功能和梯度材料，如外层是耐腐蚀材料，内部是韧性材料等。

总的来看，通过与其他增材制造方式的对比、特点分析和应用展望，AFAM技术的发展前景很好，有望成为广泛应用的增材制造方式。

2 AFAM加工控制系统总体设计

本节主要是根据上述的分析对摩擦增材制造过程进行集成化和智能化控制。本节根据AFAM的工艺特点，结合智能化控制方面的理论成果对摩擦增材制造加工控制系统（简称AFAM控制系统）进行总体设计，提出AFAM控制系统的总体方案。本方案主要是基于粉末状（颗粒状或棒状）进料的摩擦增材方式。

2.1 控制系统构成

根据AFAM控制系统的功能以及结构划分，该控制系统由以下分系统构成：总体控制系统；刀具控制系统；进料控制系统；温度控制系统；材料支撑控制系统。

总体控制是整个系统的核心，是加工控制系统的大脑，主要实现对输入信息的处理和对各个系统的任务分配及控制。刀具控制系统主要是对刀具的控制，包括道具选择和转速等，实现对成型件的性能控制。另外，主要的形状控制为材料支撑控制系统，它实现的是XY平面上形状以及Z向位移的控制，是主要的成型控制之一。进料控制系统是对输入的颗粒料（粉末料或丝状料）的供给控制，比如供给速度、角度等，以保证成型件的性能。由于温度对整个成型件的性能影响较大，故为了有效控制成型件的性能需要温度控制系统。

2.2 各系统相关关系

各系统之间的关系如图2所示，总控系统主要是完成两个任务：一个是成型控制，另一个是性能控制。

在成型控制中，实际上一个零件的成型首先是对三维模型的切片，然后按照每片层的形状进行摩擦增材，最后再在纵向上进行堆叠。因此，总体控制系统在成型控制这一功能上主要联系刀具控制系统和材料支撑控制系统。总控系统通过输入“堆片宽度”实现对刀具控制系统中刀具选择；通过输入“堆片形状”和“堆片高度”实现对材料支撑控制系统的轨迹路线控制。其中刀具控制系统又通过对材料支撑控制系统输入“刀具宽度”，来实现对轨迹道数和间距的控制。

在性能控制上，影响成型件性能的工艺参数主要包括行进方向、行进速度、间距、刀具转速、进料量、进料角度和温度等，而这些所有工艺参数与各系统均有联系。因此，总体控制系统在接收到性能要求的输入后，经过总控系统的处理与分配，通过控制各系统不同的量来实现性能的控制。除了总控系统对不同系统的控制，还包括各系统之间的相互控制，比如温度与刀具转速之间存在一定关系；进料量与角度应和行进速度与方向相匹配等。性能控制应该是整个系统相对复杂的一个功能。

2.3 各系统之间的控制关系

AFAM控制系统的各系统控制关系如下图3所示，其中GCS（General Control System）为总体控制系统，M为刀具控制系统，S为材料支撑控制系统，F为进料控制系统，T为温度控制系统。其中各系统基本上是由控制模块和控制对象构成的，各传感器则是相关参数的采集装置。

如图3所示，总体控制系统接受输入的成型件的CAD三维模型，通过总体控制模块对其进行处理，其作用是成型控制与性能控制。经过加工处理后，总体控制系统输出堆片的几何参数以及堆件的性能参数到数据总线，由总体控制系统输出的参数信息经数据总线分配给不同的控制系统，不同的控制系统接收到参数信息进行处理，在不同的控制模块作用下控制相应的对象进行摩擦增材，也就是进行堆焊成型，同时也控制过程中的工艺参数。刀具控制系统和材料支撑控制系统接收到几何参数信息之后，通过控制刀具运动和材料支撑系统的运动完成成型件的堆焊；进料控制系统也根据输入的信息，控制进料量等参数来匹配成型过程实现性能最优化。在温度控制系统中，主要的数据来源是温度传感器，分别测定刀具温度、堆件温度以及进料温度。测定的温度经过温度控制模块，如果过高就会控制冷却装置（冷却液）来对其进行降温；如果温度过低就会通过提高刀具转速、压力等措施来提高温度，保证成型件的性能。其他传感器测定的参数也是同样的作用机理。整个系统通过传感器传输的实时数据，结合智能化控制技术，使各工艺参数达到一个最优的配置，来实现成型件的性能的最优化。

2.4 AFAM控制系统中的关键技术

根据上述的各系统控制关系，综合分析整个系统，主要涉及到关键技术如下：

图2 AFAM控制系统关系图

图3 AFAM控制系统各系统控制关系图

（1）基于数据总线的集成控制技术：主要解决总体控制系统与各系统之间数据通信问题。

（2）智能控制技术：主要涉及温度控制系统、刀具控制系统、材料支撑控制系统和进料控制系统，实现对不同工艺参数的智能控制。

（3）多传感器数据融合技术：由于不同传感器测得的工艺参数对性能有重要影响，故需要解决数据融合问题。

（4）多相位协同控制技术：由于性能控制涉及多个分系统，且某一个参数也会受到不同系统的约束，所以应考虑协同控制问题。

（5）基于知识库的温度自适应控制技术：温度是一个重要影响因素，故可以构建温度的知识库实现自适应控制，使得性能参数达到最优状态。根据需要也可以构建其他工艺参数的知识库，实现不同工艺参数的自适应控制。

图4 AFAM过程仿真的过程

图7 层内轨迹示意图

3 AFAM加工过程仿真

3.1 AFAM仿真流程

为了落实“十三五”和《中国制造2025》，积极推进“互联网+”，工信部于2016年底出台了《软件和信息技术服务业发展规划（2016-2020年）》，给出了“软件定义制造”的概念。软件定义制造是在制造的各个环节，包括设计、研发、生产等均实现软件化，提高计算机辅助设计与仿真在生产制造中的作用，实现智能制造。在此背景下，本文针对AFAM技术的智能化，在提出控制系统的总体设计基础上，进一步对过程仿真开展研究。

本节主要在上述控制系统框架下，进行AFAM加工过程的仿真设计。控制系统共分为总控系统、刀具系统、支撑板系统、进料系统和温控系统五个系统，但在仿真过程中根据所研究的问题不同可以适当简化。本部分主要是针对主要工艺参数的优化问题展开仿真，所以对其中的进料系统进行简化。

过程仿真的目的是研究各工艺参数，包括刀具旋转速度、压力和前进速度等在加工过程中对成型件的温度、应力等的影响，找出最优化的工艺参数。

针对上述问题，在仿真过程中作如下的假设：

（1）进料系统在进料过程中是单位时间内均可及时提供均匀的材料；

（2）对增材过程可分解为若干个极短的连续间隔时间内一块规则的材料增加；

（3）为了过程连续和计算简便，按照一般做法，将每次增加的材料简化为一个小方块。

基于上述的假设，可以将整个过程简化为如图4所示过程。首先是对CAD模型的结构划分，这是仿真分析的基础。实际的3D打印过程也是将成型件的数字模型进行结构划分，便于后续过程控制。这一步骤可以利用有限元分析软件进行。第二步是对获得的结构划分模型开展轨迹规划，这一步利用结构划分模型中各单元的几何中心作为控制点，采用一定的“扫描规则”规划出刀具行走的路线。第三步是根据规划的轨迹开始堆积，这是增材实现的关键一步。第四步是载荷加载，第五步是状态分析。为了仿真方便，可以利用第一步划分的网格单元作为堆积的单元模型，采用生死单元的技术，在一定的步长时间（步长时间=单元尺寸/行进速度）内完成载荷的加载和求解计算。在这过程中，应该注意的重要一点是相邻步长间各边界条件不同，需要实时的更新。最后一步是根据不同参数下的状态分析，采用优化智能算法找到最优的旋转速度、行进速度以及刀具压力等工艺参数的搭配。

3.2 基于大型航空铝合金构件的AFAM仿真

安装上述AFAM仿真过程，本文针对某大型航空铝合金构件展开了仿真研究，铝合金构件如图5所示。

按照上述流程，本文已经开展了两部分的工作：

3.2.1 结构划分

本文利用有限元分析软件ANSYS，将该铝合金构件进行结构划分。根据上述假设，将铝合金构件划分成正六面体单元。由于构件的结构特点，需要用映射网格划分方法，最终可获得划分网格后的模型，如图6所示，共计单元9102个，几点数量14197。

3.2.2 轨迹规划

本文在铝合金构件划分网格后，将各正六面体单元的数据导入到Matlab中，利用Matlab强大的数学运算能力对各单元数据进行处理，规划轨迹。

首先将ANSYS中各单元的几何中心坐标导入到Matlab中，作为各单元的控制点。本文采用“来回扫”的轨迹形式实现增材，轨迹示意如图7所示。

轨迹规划的算法如下：

（1）分层：将各单元的Z坐标进行归类，同一Z坐标在同一层，得到层单元集合；

（2）分行：对每层的不同单元的Y坐标进行归类，由于各单元并不是严格的按直线排列，故取单元的边长为间隔，在间隔内的为一行，得到相应层的不同行集合，并对行号进行标记；

（3）排序：针对不同层的不同行，对各单元的X坐标进行排序，奇数行X坐标从小到大排，偶数行按从大到小排，最终得到排好序的相应层的不同行集合；

（4）轨迹整理：最后将各单元的编号组合成一个按章上述算法排列的一个数列，得到单元轨迹。

本文依照上述算法，利用Matlab实现了铝合金构件的轨迹规划，得到了单元排序轨迹。后续，笔者将根据仿真流程，在这两步工作的基础上继续开展AFAM仿真的研究，最终实现AFAM技术的可视化，并可以得到优化参数。

4 结语

本文主要介绍了一种新的增材制造技术——先进摩擦增材制造（AFAM），该技术具有性能优异、效率高、经济、绿色等特点，是其它增材制造技术的创新和重要组成。由于AFAM的工艺及特点，在未来制造业升级改造中将占有相当的比重，在通过与其他传统的增材方式的比较，其价值更是潜力巨大。为了AFAM技术的工业化、信息化和智能化，本文提出了AFAM加工控制系统的总体设计，并对其仿真建模提供了解决思路。这也是后期的重点工作，在“软件定义制造”的指导下，推动AFAM技术的发展。

参考文献

[1]国务院.国务院关于印发《中国制造2025》的通知[ES/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm.[2018-04-27].

[2]Mishra R S，Mahoney M W. Friction Stir Processing：A New Grain Refinement Technique to Achieve High Strain Rate Superplasticity in Commercial Alloys[C]// Materials Science Forum. 2001：507-514.

[3]Palanivel S，Nelaturu P，Glass B，et al. Friction stir additive manufacturing for high structural performance through microstructural control in an Mg based WE43 alloy[J]. Materials& Design（1980-2015），2015，65 ：934-952.

[4]Palanivel S，Sidhar H，Mishra R S. Friction Stir Additive Manufacturing ：Route to High Structural Performance[J]. JOM，2015，67（3）：616-621.

[5]Dilip J J S，Rafi H K，Ram G D J. A new additive manufacturing process based on friction deposition[J]. Transactions of the Indian Institute of Metals，2011，64（1-2）：27-30.

[6]Dilip J J S 1. Additive manufacturing with friction welding and friction deposition processes[J]. International Journal of Rapid Manufacturing，2012，3（1）：56-69.

[7]Calvert J R. Microstructure and Mechanical Properties of WE43 Alloy Produced Via Additive Friction Stir Technology[J]. 2015.

[8]张小红.我国先进摩擦增材制造取得突破性成果[J].中国有色金属，2017（17）：21-21.

[9]张小红.国内首台先进摩擦增材制造装备打出样件[ES/OL].http ：//www.cnnm.cn/index-index-newC.html?cid=4&tid=15&mid=3187.[2018-04-27].

[10]周成候，李蝉，吴王平，等. 金属材料增材制造技术[J]. 金属加工（冷加工）冷加工，2016（s1）：879-883.

[11]赵志国，柏林，李黎，等. 激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J]. 航空制造技术，2014，463（19）：46-49.

[12]陈玮，陈哲源. 电子束选区熔化增材制造技术——航空飞行器复杂结构 精 密 制 造 的 新 方 向[ES/OL]. http ：//www.cannews.com.cn/epaper/zghkb/2014/12/18/A06/story/438850.shtml.[20180322].

[13]向永华，徐滨士，吕耀辉，等. 微束等离子粉末熔覆金属零件直接快速成形研究[J]. 中国表面工程，2009，22（4）：44-48.

[14]王敏. 大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究--中国科学院沈阳自动化研究所成果[J]. 科技成果管理与研究，2016（9）.

[15]James Withers，Rajiv S. Mishra.Powerpoint presentation on ：Friction Stir Additive Manufacturing as a potential route to achieve high performing structures. In ：US DOE workshop on Advanced Methods for Manufacturing（AMM）； 2015-9-29.

[16]黄斌.基于静轴肩搅拌摩擦焊的增材制造技术研究[D].南昌航空大学，2016.

[17]王忻凯，邢丽，徐卫平，等. 工艺参数对铝合金搅拌摩擦增材制造成形的影响[J]. 材料工程，2015，43（5）：8-12.

[18]何斌，黄春平，张海军，等. 搭接量对LY12铝合金搅拌摩擦增材制造成形的影响[J]. 南昌航空大学学报（自然科学版），2014（3）：78-82.

[19]张龙. 3D打印过程的计算机仿真研究[D]. 兰州理工大学，2014.

[20]晁艳普，齐乐华，白政民. 7075铝合金微滴打印沉积制造中热力耦合3D动态仿真分析研究（英文）[J]. 稀有金属材料与工程，2016，45（8）：1924-1930.

[21]纪良波.熔融沉积成型有限元模拟与工艺优化研究[D].南昌大学，2011.

[22]祁冬杰.熔融沉积成型过程温度场和应力场研究[D].昆明理工大学，2017.

[23]王利.熔融沉积成型过程传热及其数值模拟研究[D]. 昆明理工大学，2016.

[24]戴岳.基于ANSYS模拟的熔融沉积快速成型精度研究[D]. 内蒙古科技大学，2015.