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《面向“中国制造2025”的再制造技术的创新发展》

再制造技术国家重点实验室主任(国家再制造汽车零部件产品质量监督检验中心(筹)专家委员会成员)朱胜作了主题演讲,具体内容如下:

女士们、先生们:

下午好!

我今天报告的题目是《面向“中国制造2025”的再制造技术的创新发展》,我主要从三个方面来跟大家分享,首先是面向“中国制造2025”的再制造技术。刘文强院长介绍了中国制造2025的背景及政策措施,正如刘院长所说:在2012年的时候中国的制造业增加值已经超过了美国,但是却大而不强,所以“中国制造2025”提出三步走战略,到2025用头一个十年步入到世界强国的第二个方阵,也就是说和德日并驾齐驱,第三步才是进入第一方阵。

“中国制造2025”提出要通过创新驱动,质量优化、绿色发展,关键是信息技术与制造技术如何深度融合,这也是当时德国工业4.0所推崇的。

美国汽车零部件再制造商协会全球主席Joe也提到了资源以及环境污染的瓶颈,这也是我国的制造业面临的两个最大的瓶颈,在“中国制造2025”里面的绿色发展特别强调了要大力发展高端再制造、智能再制造以及在役再制造,我今天主要要说的就是通过智能再制造面向高端及在役再制造的一系列技术。

中国制造2025

去年出版的《中国机械工程技术路线图》也是制造业技术路线图,提到的还是这十个字:绿色、智能、超常、融合、浩博娱乐场。其中增材再制造也就是3D打印再制造技术也被列入到了一个重要的方向。同时,去年还制定了再制造技术路线图,提出中国再制造发展的五大趋势:绿色、优质、高效、智能、浩博娱乐场。

面向2030的技术路线图里也提出几项关键技术,其中包括:再制造设计技术、再制造规划技术、再制造拆解及清洗技术、再制造质量和寿命评估技术、再制造成型加工技术和再制造标准体系,今天重点跟大家讲解再制造的成型加工技术里面的增材再制造技术。

再制造

1 增材再制造技术

增材再制造现在大家喜欢用3D打印来称呼,实际上用中国话讲就是“物要成材,材要成器”,从物到器也就是这个数据m等于0的时候就是等材再制造,等材再制造已经有1000多年的历史了,我们有几千年历史的秦始皇兵马俑的焊接就是通过等材再制造形成的。减材再制造是在工业革命以后就兴起的,比如设计保膜就是减材的。而增材再制造是近几年才发展起来的,不仅仅是说m等于0,实际上一定是数字化模型推动下的离散堆积,一层一层形成的。但是增材再制造面临两大挑战,一是材料的化学性能,二是所使用材料的效率和精度,直接关系到成本,能不能成为关键性技术。

我们举个例子,比如这是一个有缺损的部件,我们找到缺损的位置,做出一个缺损3D打印模型,跟原始件对比有哪些需要3D打印和再制造的,先把这个模型进行离散堆积,先微分,把“体”、“面”、“线”进行路径规划让“点”、“线”、“面”、“体”长起来,堆积然后形成增材再制造,使其尺寸和性能达到和原件一样的标准。

2 增材再制造的特点

举个例子,一个铝合金制的飞机翼,如果有缺损的话,就可以通过增材再制造的方式进行修补。增材再制造具有柔性的特点,有很多高端件都是大件,像船用的大型轴承、齿轮以及大型的飞机叶面损坏的时候可以通过增材再制造技术进行修补,这里面就不仅仅是一些表面的问题了,还包括“长肉”的问题。增材再制造具有移动或者柔性的特点,针对现在提出的在役再制造,特别是将来针对“一带一路”,包括现场损坏的一系列问题,随着技术的发展,像现在的激光器都是可以移动的,那么就是可以进行现场的增材再制造。比如说,我们看到有一个大型船舶上的齿轮有损坏,现场不可能有替换的,就很危险,那么就可以通过增材再制造进行现场修复。

3 增材再制造面临的挑战

首先就是材料节约化的挑战,大家都知道,“物要成材”的时候,材料光从轴类来说,有一系列不同的成分,还要经过不同的热处理工艺,那么这一系列,通过增材再制造的方式,怎么通过粉末来予以实现,这也是一个很大的技术挑战。

第二点就是控型的挑战。增材再制造往往受到时间、空间、热处理、电磁环境等等一系列因素的限制,在这些限制条件下如何让机器人按照轨迹运动,按照精确的位置来沉积,得到准确的形状,控型很难。

第三,控制性能也是一个很大的挑战。如何来实现各种性能,使其质量特性不低于新品。虽然是“长肉”,但是做表面修复的时候远离平衡态,有很多材料不匹配的问题,实际上“长肉”的时候是一层一层的,也有很多表面接触的问题。

4 增材再制造的应力问题

如何控制材料的性能及应力等问题,针对这一系列问题,我们也采用了很多的技术来控制。针对第一个问题,这是一个整体的机器人增材再制造的模型,这里包括采用MID、等离子、激光等等增材再制造热源。首先针对材料,比如说我们用那么多的材料做增材再制造的时候,像钢材如何通过内韧外硬的锶材来解决,我们也知道这些材料如果是硬度过大韧性不够的锶材是不足以拉成丝状的,就可以通过粉芯锶材来予以实现,包括这是一些我们发展的几类内韧外硬的锶材和针对铝合金的粉末以及针对钛铝的相关材料。

第二个就是控型。说起其定义“数字化模型推动下的离散堆积”理解起来很简单,但实际上真正的智能化是在这里予以实现的。首先通过非接触扫描来得到缺损模型,然后通过一系列的坐标变换来得到缺损模型的数据,最后它的目的是未来得到反求和机器人的离线编程,也就是实现机器人的轨迹,有一个技巧就是通过点匀直接得到轨迹,可以去除噪声,得到更精确的曲面模型,效果更好。后面会给大家演示针对一个轴类模型如何实现曲面编程。

针对不同的大型件如何现场得到缺损模型以及离线编程的,给大家举个例子,比如我们的“凤凰计划”,如何在太空对现场缺损零部件进行增材再制造,这种情况下只有机器人可以实施。这是一个对于铝合金大件缺损部位的整个反求及离线编程的过程,总共耗时为17分钟。

铝合金的增材再制造

最后我再介绍一下性能的控制。针对铝合金的“内韧外硬”的要求也很难,我们都知道铝合金容易被氧化,而且容易变形,所以采用了包括电磁磁场搅拌的作用,使铝合金更加均匀有组织,也可以通过振动的方式来实现铝合金的增材再制造,性能也会比较好。

不做3D打印的会对3D打印的材料的硬度及强度产生质疑,但是通常只有做3D打印的才知道其强度及硬度不是问题,关键的是应力,因为3D打印是通过一个一个点逐点凝结的,那么它的应力有时候由于材料弹力膨胀很高,往往会撕裂一整段打印件,所以一般的制造件是采用这种方法进行制造的,比较传统的方法。如果做3D打印的肯定是这样打,让它比较自由,用力比较好释放,应力控制是它的关键之一。这就是怎么通过增材再制造来控制它的应力的问题。

5 增材再制造实例

我给出一个实例,首先可以是一个机器人通过三维板球来扫描得到一个缺损部件模型,然后机器人开始离线编程,然后进行编辑一层一层“长肉”,这就是增材再制造。现在增材再制造已将是做成了几个方舱,像等离子及激光等增材再制造是可以直接放进车内,带到现场进行增材再制造的,非常方便。比如宝钢这样做的话一年可以节省一个亿。

另外像一些大型的机械车辆等,有很多轴类是可以通过电镀的方式,我们现在采用激光喷涂增材再制造是可以得到同样效果的。这些是针对叶片,属于高端再制造领域的,它的价值大概是一辆小汽车的价格,差不多十几万,所以对它进行增材再制造的话,效益可想而知。

6 在役再制造

对于在役再制造,石化企业对于大件的使用是不能停的,所以他们首先是建立一套质量检测也就是在线监督体系,当这些大件中某个出现了问题,如何通过在役再制造进行修复就非常重要了。

最后请大家了解一下盾构机再制造,现在很多二线城市修地铁都不用经过审批的,所以对于盾构机的在役再制造就会有很大的市场。

盾构机再制造

7 结语

再制造在中国发展到现在,我们所说的质量不低于新品,并且成本在新品的50%左右,节能60%以及节材70%,对环境的不良影响大大降低,而且这些也已经列入“中国制造2025”,有助于建立一个资源与环境友好型的社会。对于增材再制造而言,材料的节约性以及如何控型控性,这一系列的技术都在进行不断的创新和突破,使它能实现更好的智能再制造。增材再制造本身就是一个针对高端再制造中的智能再制造和在役再制造的,这些也契合了“中国制造2025”的相关要求。

在未来,全球的愿景是创造一个更清洁、更安全、更便捷及可持续发展的世界,所以再制造也是符合“中国制造2025”里面的建立更好的今天和明天之间的桥梁。

最后是我写在那本再制造书籍首页里的一句话:“前人种树后人乘凉。”

谢谢大家!

(内容转自蓝西资讯)

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