来源：中国激光
航天活动是飞行器在卡门线（位于海拔80 km或100 km处）以上、太阳系以内的航行活动，展示了人类探索、利用和治理太空的能力，同时具有前沿引领性和产业推动性。航天装备（包括运载器、卫星、深空探测器等空间飞行器及相关地面设备）体现了国家航天能力，是国家发展的战略支撑。随着航天任务从近地轨道向深空探索、从单一任务向多样化任务的转变，航天装备正朝着大型化和重型化、精密化和小型化、高性能和独特性等方向发展，推动航天构件结构走向大尺寸、精细化和异形复杂化，材料走向高性能化。然而，航天构件的生产面临着制造极限结构和复杂结构的挑战，以及高性能材料加工的难题。
增材制造技术具有一体化成形和制造自由度高等特点，在处理难加工材料和制造复杂及异型结构方面展现出显著优势，为航天领域先进构件的高质量制造提供了有效的解决方案。此外，增材制造技术的高柔性和高研产效率使其能够满足航天构件多品种、小批量的生产需求，以及快速响应任务的需求，成为航天产业转型升级的关键技术。根据热源种类，增材制造技术主要分为电弧增材制造（WAAM）、电子束增材制造（EBAM）和激光增材制造（LAM）三种类型。电弧增材制造具有毫米级的光斑直径，其沉积效率高，丝材利用率也高，但成形精度相对较低（大约在百微米级别）。在高速运动中，电弧的稳定性较差，容易导致熔池失稳，增加了成形的难度。电子束增材制造则具有百微米级的光斑半径，其沉积效率虽低于电弧增材制造，但成形精度较高，可达到0.13 μm。激光增材制造技术中的光斑半径通常在10 μm级别，虽然沉积效率相对较低，但其成形精度非常高，可以达到0.02 μm。激光增材制造技术因其能量控制精确和热输入小，尤其适用于复杂航天构件的精密成形，因此在航天领域中的应用最为广泛。
激光增材制造技术在航天领域中的工程化应用程度取决于工艺、装备和产线的综合发展。工艺是确保航天构件高质量制造的核心，装备是实现激光增材制造工艺的硬件基础，产线则是推动批量化、高质量生产的平台。在航天激光增材制造工艺方面，中国和美国都是应用较早的国家。例如，2012年，美国国家航空航天局（NASA）使用激光增材制造技术制造了RS-25火箭发动机的弯曲接头。2013年，中国航天科工集团（CASIC）开始在航天领域中布局激光增材制造技术的应用，2015年，其下属的航天增材科技（北京）有限公司成功将激光增材制造技术应用于高温构件的制造。随着科研人员的深入研究，激光增材制造工艺逐渐被应用于更复杂、更大型的航天构件。例如，Terran-1火箭的9个发动机燃烧室均采用了激光增材制造技术，长征五号火箭的米级芯级捆绑支座实现了全激光增材制造。在航天激光增材制造装备方面，装备正朝着大型化和精密制造的方向发展。国内企业已经研发出成形尺寸达到米级的激光选区熔化装备，并且基于增减材复合技术的激光熔化沉积装备的制造精度已经达到了微米级别。在增材制造产线方面，随着规模化生产需求的增加，人们对航天构件生产能力的稳定性和可靠性提出了更高的要求，增材制造产线向智能化方向发展。2017年，德国EOS公司启动了增材制造智能产线的建设，实现了准备过程与制造过程的并行化。2020年，笔者团队进行了增材制造智能产线的论证和建设，目前该产线已经实现了数字化全覆盖。
在航天领域需求的推动下，激光增材制造技术在工艺、装备和产线方面都呈现出快速发展态势。本文基于航天构件的发展趋势，探讨了激光增材制造在高质量制造、装备大型化以及产线智能化方面取得的进展，并对航天领域中的激光增材制造工艺（面向新型高温材料的增材制造工艺、极限轻量化制造工艺和多功能一体化制造工艺）、装备（常规大型化装备和飞行打印装备）、产线（自动控制和在线检测、虚实融合、自决策）的发展方向进行了展望。
航天激光增材制造工艺的应用
激光增材制造技术在激光与局部原料的相互作用下，具有瞬时高能的特点，可制备有利于提高力学性能的多层级微观结构。然而，这一过程中也可能产生如未熔合、匙孔、裂纹、球化等工艺缺陷（图1）。在航天激光增材制造中，通过精确调控工艺参数来控制这些缺陷和成形精度，以确保制备出的航天构件满足产品的性能和形貌指标要求。航天构件的几何特征精度受到原材料尺寸和工艺参数的共同影响。例如，使用大粒径的粉末原料或高能量密度的工艺参数可能会增加熔池尺寸，从而在一定程度上降低构件的尺寸精度。在材料确定的情况下，航天构件的性能和缺陷调控程度相关且主要受工艺参数的影响，如扫描间距、层厚、功率和扫描速度等。当扫描间距和层厚过大（通常对应低能量密度）时，相邻熔池可能无法充分重叠，导致未熔合缺陷的产生。在高功率和小扫描速度的条件下，金属的快速蒸发产生的强反冲压力可能会推动熔化液体，从而形成深而窄的匙孔。高扫描速度可能导致熔池变长，而在Plateau-Rayleigh不稳定性效应下，熔化轨迹容易间断，从而产生球化缺陷。航天增材制造工艺不仅需要在几何维度进行精准调控，还需要在性能维度进行精准调控。这是一个通过参数权衡来实现航天构件几何特征和性能同步精确制造的过程。下文将以航天构件的三种典型结构（表1）——大型整体结构、轻量化结构、结构功能一体化结构为例，介绍激光增材制造工艺在航天领域中的应用情况。
图 1 激光增材制造过程示意图及缺陷 （a）激光与原料的作用过程；（b）未熔合缺陷；（c）匙孔缺陷；（d）裂纹缺陷；（e）非连续熔池；（f）球化 表 1 典型航天构件
1 轻量化结构的激光增材制造
轻量化是航天构件设计中的一个重要目标。在航天领域，翼舵、支架等构件通过采用格点填充结构来实现轻量化，它们是轻量化结构的典型代表。
以翼舵为例，它是控制航天器飞行姿态的关键部件。翼舵的设计通常包括外部的薄壁蒙皮和内部的蜂窝或点阵构型填充（图2），主要使用钛合金或高温合金材料。通过激光增材制造技术，可以实现翼舵的一体化成形，减少中间工序，提高生产效率，并且减少机加工量。此外，激光增材制造技术能够制造传统工艺难以制备的复杂结构（如点阵结构），有效降低了翼舵的质量系数。然而，激光增材制造翼舵目前面临两个主要的工艺挑战：首先，翼舵的大展弦比结构特性导致其在一体化成形过程中容易产生较大的变形；其次，翼舵的细观结构（如薄壁、细杆、中空构型）与大尺寸蒙皮的多尺度协同制造增加了制造难度。为了解决这些问题，笔者所在的团队采用了应力离散控制策略，并结合跨尺度仿真变形预测技术，成功实现了复杂点阵翼舵和蜂窝翼舵的高精度一体化成形。其中，蒙皮的最薄壁厚可达到0.8 mm，尺寸型面变形控制在±0.3 mm以内。目前，由笔者团队制备的激光增材制造翼舵已经在多款航天装备中得到应用。
图 2 翼舵展示图 （a）点阵翼舵整体形貌；（b）点阵翼舵点阵构型；（c）蜂窝翼舵整体形貌；（d）蜂窝翼舵蜂窝构型 在航天装备的设计中，支架的轻量化同样是一个重要的需求。激光增材制造技术使得一些传统制造方法难以实现的复杂支架结构成为可能（图3）。然而，增材制造过程中的几何约束有时会限制支架的实际性能，使其无法完全达到设计预期。为了克服这一挑战，中国航天科技集团有限公司中国空间技术研究院与南京航空航天大学、北京理工大学合作，共同设计了一款面向增材制造的自支撑晶格单元。这一研究成果已经被成功应用于中巴地球资源卫星04A星的动量轮支架中。
图 3 支架展示图 （a）动量轮支架；（b）Sentinel-1天线支架
2 结构功能一体化结构的激光增材制造
结构功能一体化是航天构件发展的重要趋势，其中舱段和发动机是结构功能一体化构件的典型代表。
以舱段为例，舱段是航天器中关键的耐温结构件，负责承载。舱段的外形通常为回转体或异形（图4），根据功能需求和工作环境的不同，可以选择铝合金、钛合金或高温合金作为材料。舱段之间的连接通常采用焊接或螺接的方式。与传统的铸造配合机加的方法相比，激光增材制造技术在控制舱段壁厚上具有优势，壁厚控制精度保持在±0.1 mm以内，基本满足舱段结构的壁厚控制要求。对于异形舱段结构，激光增材制造技术还能显著减少专用铸造模具的制造周期和成本。然而，激光增材制造舱段也面临着一些工艺挑战：舱段是承载构件，对缺陷的敏感性较高，因此对工艺调控缺陷的精度要求也很高。主动冷却舱段内部的流道密集，且对流道表面质量有很高的要求，这增加了对激光增材制造工艺精细调控的需求。细观尺度流道的成形与米级尺度构件变形精度的协同控制难度较大。为了解决这些问题，笔者所在的团队结合移动激光的高斯光源特性与优选熔池形貌，提出了一种融合激光属性、材料物理特性（如熔点、导热率等）与工艺参数的低应力无缺陷参数优化策略。通过这种策略，实现了微观缺陷的精细调控，完成了极限结构的高质量快速制造。
图 4 舱段展示图 （a）桶状舱段；（b）异形舱段
发动机是航天装备中提供动力的关键部件，其结构和功能一体化的特性使其在设计和制造上具有高度复杂性和精密性。发动机通常具有多行面、多腔道，其结构复杂且精密（图5），主要使用高温合金和钛合金等材料。中国航天科技集团有限公司第六研究院（航天六院）采用激光增材制造技术对发动机推力室隔板加强肋的工艺进行了改进，成功解决了传统熔模铸造因结构限制而出现的低合格率问题，将产品合格率从不超过20%提升到了98%。这款激光增材制造工艺改进的发动机已经被应用在长征二号F遥十二运载火箭上。此外，航天六院还利用激光增材制造技术实现了结构优化和紧凑设计的着陆巡视器主发动机的制备。与原发动机相比，新发动机的体积和重量减少了2/3，这一改进的发动机已经在天问一号探测任务中得到应用。中国航天科工集团第三研究院31所也基于激光增材制造技术，成功突破了复杂结构发动机的设计难题，并实现了集成一体化制造，使得发动机的承载和供油等功能得以一体化 。
图 5 激光增材制造发动机 3 大型整体结构 激光增材制造
大型化和整体化是航天构件发展的关键趋势，其中框梁类构件是大型整体航天结构的典型代表。作为主要的承力结构，框梁通常采用壁板加筋的构型，具有较大的外形尺寸（通常达到米级），而相对于其整体尺寸，其构件的厚度则相对较薄（在百毫米级别）。由于框梁类构件对比强度有较高的要求，钛合金是这类构件常用的材料。
与传统的铸造或锻造成形工艺相比，激光增材制造技术避免了铸锻造模具的生产，从而缩短了研发周期。此外，框梁的整体结构方案在研制过程中可能需要根据计算结果进行优化和更新，激光增材制造技术能够有效避免铸造和锻造模具投产后可能出现的资源浪费。同时，激光增材制造的框梁在性能上能够达到甚至超过传统铸造和锻造方法制造的构件。然而，激光增材制造大型框梁构件仍然面临着一些工艺挑战。在制造大型构件时，通常需要经历长时间的非稳态快速加热和冷却循环，因此难以保持整个制造过程的稳定性。同时，由于大型构件的温度梯度较大，收缩凝固应力和热应力等应力环境复杂，因此这些构件在制造过程中容易出现变形和开裂的问题。
笔者所在的团队针对大型构件在激光增材制造过程中可能出现的变形问题，采取了一系列措施，包括变形行为预测、变形补偿策略、模型结构优化以及精细热处理等，以协同抑制框梁的变形和开裂倾向。通过这些方法，我们成功制备了大尺寸的钛合金框梁，并实现了米级主梁结构的一体化成形。在中国航天科技集团有限公司第五研究院（航天五院）新一代载人飞船试验船的研制过程中，团队解决了大尺寸激光增材制造中的冶金缺陷和变形问题，成功制造了4 m超大尺寸的整体钛合金防热大底框架。这一成果不仅保证了制造的高质量，还实现了高效和低成本的生产（图6）。此外，中国航天科技集团有限公司第一研究院（航天一院）采用了“分离-拼接”策略，将保护板分解为50个尺寸为370 mm×100 mm×125 mm的部件，通过激光增材制造技术分别制造后再进行拼接。这种方法使得直径达到5 m的级间解锁装置保护板得以成功制备，并已经应用在长征五号运载火箭上。
图 6 返回舱防热大底框架展示图 （a）返回舱防热大底框架示意图；（b）返回舱防热大底框架实物图
航天激光增材制造装备
激光增材制造装备是集成了光学、电路电子、机械工程、信息技术、软件工程等先进技术的光机电一体化智能设备，它们是实现航天构件高质量成形的基础。激光增材制造装备主要分为两大类：以铺粉为特征的激光选区熔化装备和以送粉（或送丝）为特征的激光熔化沉积装备。激光选区熔化装备以其高成形精度著称，特别适用于制备航天构件中的复杂精细结构，如拓扑优化的点阵结构和内部流道等。而激光熔化沉积装备则以其高成形效率见长，尽管成形精度相对较低，但通过后续的精加工处理，它们适用于制造大型的航天构件，如框梁结构。这两种激光增材制造装备各有优势，互为补充，并得到了广泛的应用。随着激光增材制造技术在航天领域中的应用不断深入，构件尺寸不断增大，航天激光增材制造装备大型化发展的需求日益迫切。
1 航天激光选区熔化装备
激光选区熔化装备利用扫描振镜引导激光，按照软件规划的路径熔化粉末，从而实现构件的成形（图7）。在这一过程中，聚焦光学系统是决定装备成形幅面大小的关键因素。为了实现大幅面且高质量的成形目标，通常采取场镜焦距增长、振镜移动、多光束拼接等方式。这些方法的应用，使得激光选区熔化装备能够面向大型航天构件的制造需求，进行研发和生产。
图 7 激光选区熔化装备工作图 1.1 场镜长焦距化
激光扫描幅面由焦距f与振镜摆动角度θ共同决定：
式中：l为扫描范围边长（图8）。基于l与f的正比关系，可通过增大焦距的方式实现装备幅面范围的扩大。然而，场镜焦距的增长会导致光斑增大，进而导致激光功率密度下降。为了补偿这种功率密度的损失，通常需要提升激光器的输出功率。2013年，德国EOS公司推出了一款基于场镜长焦距法的大尺寸选区激光增材装备M400。该装备配备了1000 W的激光器，成形尺寸达到了400mm×400mm×400mm。但是，这种方法由于大光斑的存在，可能会出现成形精度的下降，装备的尺寸受到限制。
图 8 场镜幅面示意图 1.2 振镜移动
通过控制扫描振镜的分区移动，可以有效地扩展投影区域，从而实现大幅面激光增材制造装备的设计（图9）。2015年，上海航天设备制造总厂有限公司利用这种方法开发了一种单激光大幅面振镜移动增材制造装置，成功地将激光选区熔化装备的加工幅面扩大到500 mm×500 mm以上。尽管从理论上讲，这种方法可以将加工幅面无限扩大，但在实际操作中，如果幅面过大，可能会遇到一些问题。例如，单光束在同一扫描层的不同位置进行熔化时，熔化时间的差异较大，可能会导致幅面温度场的不均匀性，从而增加出现变形和裂纹的风险。此外，单光束成形过程中振镜的响应和移动速度相对较慢，这也限制了大型构件的成形效率。
图 9 移动振镜扩展成形幅面示意图
1.3 多光束拼接
增加激光器和振镜的数量，并使它们协同工作，分区域同时进行工作，可以显著扩大成形幅面、提高成形效率，并在一定程度上确保同一扫描层中温度场的均匀性（图10）。华中科技大学武汉光电国家研究中心率先提出了多光束拼接大型激光选区熔化装备的理念，并在2014年开发出了国际上首台大尺寸4光束激光选区熔化成形装备，其成形尺寸为500mm×500mm×530mm。基于这一方法，2023年，笔者所在的团队开发出了成形尺寸为1200mm×600mm×1500mm的大尺寸8光束激光选区熔化装备。多光束拼接技术已成为设计大尺寸激光选区熔化装备的主流技术，包括铂力特、华曙高科、EOS、GE Additive等公司都采用这种方法来研制多款大尺寸装备（表2）。然而，多激光拼接成形装备的设计并非仅仅是增加激光器和扫描振镜数量那么简单。在成形过程中，激光质量、功率密度、拼接区域以及跳转性能的一致性是主要的技术挑战。此外，多激光拼接的稳定性（例如长时间工作下扫描振镜的温度漂移、机械结构的稳定性）也直接影响到构件的成形质量。华曙高科开发了一种多激光搭接校正系统。该系统首先使用胶皮检测板获取激光扫描图像的交叉点和中心点图形，然后通过校正装置拍摄检测板图形，以获取搭接区的偏差角度、涨缩比例、偏移量等信息。这种方法操作简单，调试周期短。尽管如此，多激光拼接的稳定性问题尚未得到根本解决。同时，为了获得更大的成形幅面和更高的成形率而增加光学系统数量，也带来了新的挑战，如更多激光同时烧结产生的大量烟尘颗粒增加了风场稳定性的保持难度，以及光学系统数量的增加导致系统控制和软件开发的难度增大。
图 10 多光束拼接展示图 （a）多光束扩展成形幅面示意图；（b）原理图 表 2 大型激光选区熔化装备
1.4 多光束拼接结合振镜移动
结合多激光拼接策略与振镜协同激光同步运动策略，可以在一定程度上同时确保成形质量和成形效率。2017年，弗劳恩霍夫激光技术研究所集成了5个激光扫描系统，将多光束拼接技术与振镜移动相结合，提出了一种幅面可扩展的激光粉末床熔融装备的概念，这种装备在国内被称为飞行打印。该装备的成形尺寸为1000mm×800mm×500mm。目前，飞行打印技术正处于快速发展阶段，但同时也面临着一些挑战：与多光束拼接和振镜移动的激光选区熔化装备相比，飞行打印装备的结构更为复杂，这增加了保持系统可靠性的难度。光学系统的高集成化要求在运动过程中对光学、监控等系统的精度和稳定性进行精确控制，这在技术上具有较大的挑战性。
2 航天激光熔化沉积装备
激光熔化沉积装备是由激光器、送粉（或送丝）器、送粉（或送丝）喷嘴、数控工作台以及其他辅助装置共同构成的。在这一过程中，激光器发出的激光通过喷嘴聚焦，作用于工作台面上的原料，使得原料逐层熔化并冷却，最终堆积形成三维构件（图11）。激光熔化沉积装备通常使用的激光器类型包括光纤连续激光器和Nd脉冲激光器，这些激光器能够提供千瓦级以上的功率，非常适用于大型构件的快速制造以及构件表面的修复。为了满足大尺寸精密成形的需求，激光熔化沉积装备通常采用以下几种方式进行操作：光束运动、光束运动配合加工平台运动以及增减材一体化。
图 11 激光熔化沉积装备示意图 2.1 光束运动
装备的加工平台需要与导光系统和激光系统相匹配，以实现高效的激光熔化沉积过程。柔性较高的光纤激光器通常与普通加工机床或智能机械手结合，组成柔性激光熔化沉积平台（图12）。在这样的系统中，激光工作头被安装在机械手的末端，机械手通过其手臂在工作空间中的移动来执行作业任务。用于激光加工的机械手臂通常具备至少6个自由度，其中三个用于确定激光工作头的精确位置，另外三个用于调整激光工作头的姿态。根据机械手臂的工作空间和运动方式，它们可以分为四种基本类型：直角坐标、球坐标、圆柱坐标和类人臂关节坐标。此外，为了扩大工作范围，机械手臂的机座可以安装在移动机构上。例如，库卡公司与弗劳恩霍夫激光技术研究所合作开发的基于机械臂的增材制造系统，证明了机械臂在实现光束运动方面的可行性。在这种系统中，机械手臂的最大可达距离可以根据激光加工作业的具体要求进行调整。
图 12 配以机械手的激光熔化沉积装备 2.2 光束运动配合工件运动
由于导光系统的柔性限制，Nd∶YAG激光器通常与多轴数控机床加工平台配合使用，以实现光束与加工工件之间的相对运动。与传统的机床相比，多轴数控机床能够进行多坐标轴的联动操作，这使得它们能够制造形状复杂的零件，同时保持高加工精度和稳定的加工质量。常见的多轴数控机床除了X、Y、Z三个直线运动坐标外，通常还包含一到两个回转运动轴坐标。与光纤激光器配合机器人的打印形式相比，配备多轴数控机床的激光熔化沉积装备在制造复杂零件的能力和加工精度方面通常具有更高的性能。然而，这种高性能也意味着更高的成本。例如，美国Optomec公司开发的LENS850-R激光熔化沉积装备，就配备了5轴移动工作台，能够实现900mm×1500mm×900mm的成形尺寸。
2.3 增减材复合成形
多轴数控机床与联动铣削床的结合，构成了实现增减材复合制造的混合加工机床，这是制造增减材复合装备的常用方案。在传统的激光熔化沉积增减材复合装备中，通常采用三轴数控平台作为辅助，但三轴平台的自由度限制了其在增材阶段制造复杂零件的能力，可能导致零件轮廓出现台阶效应；在减材阶段，也难以实现复杂形状的高精度修整。目前，以5轴联动系统为平台，并与同轴激光熔覆系统和铣削系统相结合的设计方式，正成为增减材复合装备的发展趋势（图13）。在这种设计中，5轴控制的激光熔化沉积过程之后，可以利用安装在机械手上的铣削刀具进行五轴铣削减材加工。随后，再进行激光熔覆增材，形成增减材加工的循环。
图 13 激光五轴增减材原理图 2013年，德国DMG MORI公司将5轴喷粉堆焊技术和5轴联动铣削加工技术相结合，推出了全球首台具备增减材复合制造功能的机床。这一创新产品名为Lasertec 65 3D Hybrid，它实现了增材制造与铣削加工的复合。近年来，中国的国家增材制造创新中心基于摇篮+转台的五轴布局形式，成功实现了增材成形与减材加工工序的灵活切换。他们自主研发了LMDH系列五轴激光增减材制造装备，借助精度在线监测系统，实现了“加工-测量-补偿”的闭环制造流程。
激光增材制造产线
随着航天构件从研制阶段过渡到多件生产，激光增材制造技术面临着提升生产效率和确保产品质量一致性的双重挑战。激光增材制造智能产线凭借其连续生产的能力、全过程的质量可追溯性以及生产数据的透明化管理，为航天构件的高效、高质量和稳定生产提供了有效的解决方案。本部分将关注激光增材制造中多件生产面临的问题，阐述增材制造产线建设的着力点，并对产线建设成果进行介绍。
1 激光增材制造中多件生产面临的问题
4.1.1 单机激光增材制造装备的有效利用率低
激光增材制造的生产流程通常包括以下几个关键步骤：打印前的准备工作（包括粉末的上下料、基板的准备、缸体的准备以及设备的准备）、打印过程本身（即打印制造阶段），以及打印后的处理工作（包括缸体的降温和清粉、基板的拆卸以及物流周转等）。在采用离散式单机激光增材制造装备的情况下，打印前的准备和打印后的处理所花费的时间在整个生产过程中占据了50%以上的比例，这导致设备的投产比相对较低。
1.2 激光增材制造中生产过程的自动化程度低
目前，激光增材制造的自动化主要集中在打印制造环节，而打印前的准备和打印后的处理过程仍然主要依赖人工操作。在打印准备阶段，包括粉末的供应、基板的搬运与安装、缸体的准备以及基板的固定等步骤，通常需要人工介入。同样，在打印后处理阶段，如缸体内粉末的清理、带基板的零件转运、基板与缸体的分离以及零件的转运等，也大多采用人工作业。这种手工操作的工序类型繁多且复杂，不仅增加了产品的质量风险，而且随着人工成本和管理成本的上升，整体的生产效率和经济效益受到影响。
1.3 激光增材制造中生产数据采集不足，数据价值低，质量追溯难
在激光增材制造的生产过程中，目前主要依赖手工记录数据，这导致数据的完整性和可靠性难以得到保证，同时也无法满足设备高可靠性连续运行的需求。由于无法实时获取设备的运行状态、零件打印过程中的状态、生产环境、能耗、物料库存、异常问题等关键信息，因此生产过程中存在信息管理的盲区，难以对问题进行快速响应，也影响了对产品质量问题和生产过程信息的追溯。
1.4 激光增材制造中生产缺乏数字化管控系统
航天构件的制造需求通常表现为多品种、小批量的特点，这使得生产计划安排（简称排产）变得复杂和困难。在激光增材制造领域，排产、生产、物流等环节的协同性不足，数据的透明度低，这些因素都不利于快速响应生产过程中的变化。尽管一些增材制造企业已经建立了通用的制造执行系统，但这些系统大多仅实现了单机设备的信息联通，还未能实现对增材制造设备资源和生产过程的全面控制。
2 激光增材制造智能产线的建设举措
目前增材制造产线的建设处于初级阶段，国内外官方公开的资料较少，本部分以笔者团队建设经验（图14）为基础，阐述激光增材制造产线建设方面的着力点。
图 14 增材制造示范产线布局图 2.1 基于连续生产的增材制造产线场景，实现产线全流程自动化运行
为了解决增材制造在传统生产过程中自动化程度低的问题，笔者所在的团队进行了一系列的研究和开发工作，旨在实现连续生产的增材制造产线。我们的主要工作包括：多缸体系统的开发、粉末自适应供应循环系统的建立、自动化清粉和基板紧松螺钉系统的开发、自动化物流装备技术的集成、增材制造产线成套装备的构建。通过这些技术的开发和集成，我们成功实现了增材制造产线的全流程自动化运行。
2.2 建立激光增材制造大数据平台，实现关键生产过程数据的采集
为了解决传统激光增材制造中数据价值低和产品质量难以追溯的问题，我们建立了一个多平台数据采集系统，该系统能够实现设备数据的采集以及不同系统间数据的互通与集成。具体措施包括：利用5G物联网关技术，实现对增材制造设备数据的快速、安全采集；通过平台的集成能力，将采集到的设备数据与生产管理系统、质量控制系统等进行集成，实现数据的统一管理和应用；开发智能监控系统，对产线状态进行实时监控，并能够智能识别和跟踪异常问题，为快速响应和问题解决提供支持。
2.3 激光增材制造产线的协同控制
为了提高激光增材制造生产过程的数字化管理水平，我们采用5G和移动边缘计算技术，开发了一种基于任务驱动的增材制造产线协同控制系统。这个系统能够实现以下几个关键功能：智能生产调度与排产，订单任务追踪，生产过程实时状态监测与反馈，物料的高效、精准配送，智能排产、生产、质量检测及智能物流。我们还利用5G边缘计算、云计算和数据分析技术，建立了激光增材制造产线装备的异常模型，实现对生产过程的深入分析和自主决策。
3 激光增材制造智能产线应用实践
2022年，笔者团队成功构建了国内首条基于5G和工业互联网技术的激光增材制造智能生产线（图15），并选择翼舵构件作为典型的应用对象，完成了批量生产的应用验证。这条智能生产线的实施带来了显著的效益：设备利用率提升了30%，生产运行成本降低了40%，设备故障率降低了65%，生产过程等待时间缩短了40%。由于这些成就，我们团队的项目“基于5G+工业互联的增材制造产线及在航天高端装备中的应用” 入选2023年中国智能制造十大科技进展。
图 15 增材制造生产线示范
结束语
中国航天事业的快速发展正推动着航天构件向更高性能、更多功能和更大规模的方向发展。为了适应这一趋势，我们需要进一步挖掘激光增材制造技术的潜力，持续为航天事业提供强有力的技术支持。面对科技的最前沿和国家的重大需求，我们应该加强激光增材制造工艺突破、装备研发和产线建设方面的协同攻关，并系统地规划和推动激光增材制造技术在航天领域中的应用。
为了攻克激光增材制造技术在航天领域的核心技术难题，我们需要针对航天构件极端热环境服役、极限减重以及高度功能集成的需求进行深入研究。以下是具体的研究方向和目标：
1） 专用高温材料的开发。利用激光增材制造的成形特性，开展专用高温材料的成分设计和基础工艺研究，建立一个包含材料、工艺和性能的数据库，从而开发出适用于激光增材制造工艺的新型高温材料，并掌握控形控性的系统方法。
2） 极限轻量化结构的制造。针对极限减重的目标，研究基于激光增材制造技术的精细结构极限制造技术，包括变胞元密度的变几何结构制备，以及轻量化结构的跨尺度制备工艺。这些研究将推动航天构件向更先进的结构设计方向发展。
3） 多功能一体化制造。研究多层级结构和多材料集成的激光增材制造工艺设计。通过跨尺度异质结构和异质材料的一体化成形工艺调控，实现航天构件在力学、热学、振动、电学和磁学等不同功能上的集成。
针对航天领域激光增材制造高端装备的研发需求，我们可以聚焦以下几个关键技术领域进行攻关：
1） 大型化激光增材制造装备。针对此类装备，应重点研究大幅面风场控制技术，以确保打印过程中的稳定性；同时，开发多光束拼接技术，以提高制造效率；此外，还需优化Z轴工作稳定性，以提升整体装备的性能。
2） 飞行打印相关先进装备。在这一领域，应致力于提高光学系统的控制精度和可靠性，以及监控系统的精确性，确保打印过程的精确控制和实时监控。
3） 五轴增减材复合装备。对于这类装备，研究重点应放在复合成形过程中的五轴运动轨迹控制上，以实现更复杂结构的精确制造。
为了满足增材制造生产线的智能化需求，我们可以采取以下措施来建设高效的激光增材制造产线：
1） 自动控制与在线检测。利用基于深度学习的机器视觉算法，实现对生产线的自动控制，以及对打印产品缺陷的实时在线检测，从而提高生产效率和产品质量。
2） 数字孪生技术应用。通过数字孪生技术，将实体装备在虚拟空间中进行映射，实现数据仿真、流程优化、产品改进、结果验证以及多维监测。这一过程有助于在虚拟环境中模拟和优化生产流程，确保生产过程的高效和准确。
3） 人工智能技术融合。结合数字孪生过程中积累的大量数据，利用人工智能技术，使产线能够实现自组织、自优化、自适应和自调节。这样的智能化产线具有为航天构件的生产提供辅助决策的能力，进一步提升生产效率和产品质量。
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