摘要：再制造作为将报废件及报废组件转化为可重复使用部件的过程，正日益成为实现资源高效型工业部门和循环经济的关键要素之一。增材制造已成为实现自动化修复与恢复磨损产品（特别是高价值零部件）至如新状态以用于下一生命周期的赋能技术。本文对用于产品恢复与修复的增材制造技术的基

长三角G60激光联盟导读

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再制造作为将报废件及报废组件转化为可重复使用部件的过程，正日益成为实现资源高效型工业部门和循环经济的关键要素之一。增材制造已成为实现自动化修复与恢复磨损产品（特别是高价值零部件）至如新状态以用于下一生命周期的赋能技术。本文对用于产品恢复与修复的增材制造技术的基本原理和潜在应用进行了全面分析。本综述的主要目标是整合离散信息，全景展现基于增材制造的修复与恢复技术在再制造应用中发展与运用的全球图景。虽然本综述主要聚焦于增材再制造的前沿技术——包括原理、策略、质量、实践与应用，但同时也涵盖了逆向工程在增材再制造中的应用以及增材再制造的决策支持框架。最后对综述结论及未来研究工作方向进行了展望。

成果亮点
•系统回顾采用增材制造的部件再制造技术
•基于增材制造的修复与恢复技术在再制造领域的开发与应用
•涵盖增材再制造原理、策略、质量、实践与应用的前沿技术
•增材再制造中的决策支持框架与逆向工程应用

还对激光熔覆/LDED再制造工艺进行了仿真研究，以探索工艺过程中及之后的热-机械现象，如热量分布、应力分布、残余应力演变、变形，以及金属沉积、熔覆层形状演变、流体流动等[127], [156], [181], [182], [183], [232], [257], [258], [259], [260], [261], [262]。根据Hauer [184]的一项比较激光熔覆和GMAW用于船舶螺旋桨轴再制造的研究，基于激光的方法周转时间快得多，使用的材料更少，所需劳动力更少，并且还能获得更好的机械性能和腐蚀性能。尽管激光熔覆修复已用于许多不同行业并显示出许多优势，但人们发现激光熔覆并非小直径基体的最佳选择，因为扩展的热影响区会对基体的整体拉伸和疲劳强度产生负面影响[185]。然而，修复部件的熔覆后热处理不仅能显著恢复，有时甚至能提高拉伸和疲劳性能[164], [186], [188]。在某些情况下，熔覆样品中的界面开裂是由脆性界面微观结构以及沉积物中的残余应力共同导致的。具有较高焊道高度的样品中的分层也是稀释不良的结果[63]。裂纹通常沿着柱状晶的发展方向扩展[167]。气孔在熔覆样品中更为明显。在某些情况下，激光预熔是有利的，因为它可以在沉积前通过辐照表面来减少修复界面处的孔隙率。激光能量密度被证明是影响涂层厚度、化学成分、沉积态微观结构和整体涂层质量的决定性因素[140]。能量供应不足导致界面处未熔合，而这种界面未熔合会导致界面缺陷[204]。尽管存在诸如有限的可重复性、难以实现自适应控制、后处理检测复杂且昂贵以及可能存在累积误差等问题[5]，激光熔覆仍然是最广泛使用的基于LDED的修复或再制造技术之一。

EHLA是德国亚琛弗劳恩霍夫ILT创造的一个术语，是其德语工艺名称"Extrem Hochgeschwindigkeits LaserAuftragschweissen"的缩写，意为极高速激光材料沉积。EHLA / UHSLC是一种用于多个领域的高速激光熔覆工艺[142], [195], [263]，它也在部件修复/恢复中找到了用途。Li等人[142]采用EHLA工艺将AISI 4340沉积到E355基体上进行修复，发现通过EHLA制造的AISI 4340堆积体的屈服强度和抗拉强度优于锻造材料。Li等人[264]通过试验缩减尺寸的试样然后通过仿真模拟全尺寸轮座轴，研究了使用EHLA修复高速列车轮座轴的可行性。Wu等人[140]专注于高速部件再制造，使用UHSLC在低碳钢基体上制备Stellite 6涂层，并研究了激光能量密度和粉末流聚焦位置对熔覆层厚度和微观结构的影响。在恒定的激光能量密度下，将粉末流聚焦位置从距基体0.2毫米增加到0.8毫米会导致熔覆层厚度增加。沉积层在界面处为柱状晶，在熔覆层表面为等轴晶。

LENS是由美国公司Optomec创造的专有缩写，是一种LDED方法，它利用存储在CAD实体模型中的几何信息，在逐层制造零件的过程中自主控制工艺。LENS因其颠覆性的增材能力（能够提供高质量、成本效益高的修复和沉积）以及其易于修复部件的自由形状能力[199]，在再制造领域日益受到重视。最终的构建质量受许多固有和可配置参数的影响，其中最重要的是激光功率、送粉速率、扫描速度和扫描间距[136]。Liu等人[135]使用LENS修复镍基高温合金涡轮部件中的铸造缺陷和位置不当的加工孔，结果显示修复焊接性良好，除少量气孔外无其他缺陷。Onuike和Bandyopadhyay [200]利用LENS修复Inconel 718中的缺陷，方法是在缺陷区域周围加工出槽，然后用材料填充空隙。据观察，适当的缺陷区域准备和工艺变量控制，特别是构建方向，对于确保金属部件的高质量LENS修复至关重要。LENS在汽车、国防和航空航天领域提供多种再制造应用，包括磨损轴修复[265]和整体叶盘叶片[196], [266]、涡轮叶片修复[109], [135]。

缩写LMD / LDD是LENS工艺的更通用术语，在基于LDED的修复/再制造文献中广泛使用。LMD / LDD是一种基于激光的DED金属3D打印技术，其功能与LENS类似。一个区别是LENS使用粉末填充材料，而LMD / LDD使用粉末[201], [202]或丝材[267]填充材料，分别称为LMD-p和LMD-w。WLAM是LMD-w的常用名称。Raju等人[203]采用LMD-p修复了一小段Ti6Al4V航空发动机叶片材料，发现在能量密度和扫描速度分别为9.5 kJ/cm²和600 mm/min时，沉积层无孔隙和裂纹，并获得了良好的机械和冶金性能。沉积区普遍发生β到αˈ马氏体相变，这略微提高了硬度。Shim等人2021年[204]采用LMD-p用相同材料的粉末修复受损的630不锈钢部件，证明修复后热处理后硬度和无裂纹沉积物得到改善。修复后试样经过固溶退火（作为修复后热处理）后的微观结构显示出板条马氏体和少量残余奥氏体相。在固溶退火+沉淀硬化修复后热处理后，硬化马氏体显著，并且在沉淀硬化热处理充分时效后，在晶界处形成逆转变奥氏体。Mahamood等人[205]展示了使用LMD-p对高价值Ti6Al4V航空航天部件进行高效成功再制造的可能性，获得了无孔隙沉积样品以及基体与沉积物之间牢固的冶金结合。Graf等人[206]检验了LMD-p用于重新填充不锈钢和钛部件中U型和V型加工槽的可行性，重新填充实现了无缺陷、具有良好侧壁熔合、低热输入、低变形和低冶金影响的沉积物。Liu等人[207]测试了LMD-p用于TC17锻板上凹槽缺陷的修复，发现修复区为柱状和树枝状晶体，抗拉强度和伸长率与原始材料相当，相对密度超过99%。Sun等人[208]使用LMD-p和两种不同的填充粉末来再制造HSLA-100钢的预加工梯形槽。获得了与基体相当的拉伸性能、修复区无可见缺陷（如气孔、未熔合或裂纹）以及修复区存在细柱状晶和树枝晶。Yu等人[209]采用了他们称之为激光辅助增材金属层沉积的LMD-p，并将其与气体金属弧焊进行比较，以修复预制的U形开槽灰铸铁试样。修复铸件的力学性能评估表明，与原始部件相比，LMD和焊接修复的极限强度均降低了16%，而伸长率分别提高了60%和20%。Zhang等人[210]利用LMD-p再制造具有多层钴基合金涂层的圆柱形部件，并评估了螺旋线、圆-线-圆和线-弧-线等沉积路径的轨迹影响。圆-线-圆路径被证明是修复圆柱形部件的最佳选择，因为它形状均匀、粉末捕获效率高且沉积物无缺陷。Wilson等人[197], [198]证明了LDD在修复断裂涡轮叶片以实现匹配几何形状以及相当强度和延展性方面的功效。此外，一项生命周期评估表明，与更换新叶片相比，体积为10%的修复可以节省至少36%的总能耗和至少45%的碳排放，优于基于GTAW和PTA的修复。LMD/LDD用于多个行业，修复/再制造各种部件和设备，例如注塑模具[211]、燃气轮机燃烧器[212]、模具和冲模[213], [268]、热锻工具[201]、涡轮叶片和导向器[114], [214], [215], [269]、高压压气机凸台、支架和法兰[269]、混砂机叶片[216]、轧机机架[217], [233]。

DMD是LDED修复和再制造文献中经常出现的另一个术语，其基本加工方法与LENS、LMD和LDD相同。DMD是一种由密歇根大学与POM集团合作开发并由POM集团（现DM3D Technology LLC）商业化的专有金属AM技术。DMD采用激光熔化吹送的粉末和专利的闭环控制系统，在直接从CAD数据逐层创建或修复功能部件时确保结构完整性和尺寸精度[270]。Skszek和Lowney [108]通过四个案例研究探讨了DMD的经济可行性，并验证了其在模具重构和修复中降低工具成本和缩短工具交付周期的潜在能力。Dutta等人[271]概述了DMD及其在再制造中的应用，通过几个案例研究解释了DMD如何在部件修复过程中潜在地节省时间和能源。Zhang等人[126]使用DMD用Co-Ni-Cr-W硬面合金填充H13工具钢基体中的预制V型槽，结果显示沉积物完全致密、无缺陷，且比基体更硬。Wang等人[220]在密封高压舱内的水下环境中使用水下-DMD修复了预制开槽的HSLA-100试样，结果显示成功修复了钢板，具有良好的冶金结合，并且沉积样品的硬度高于在空气中再制造的样品。通过许多建模和实验努力，已成功利用DMD对许多工业部件进行了再制造，包括齿轮[221]、航空发动机叶片[222], [272]、叶轮叶片[223], [273]、燃气轮机翼型[274]。

激光固结（Laser consolidation）是LDED工艺的另一个版本，由加拿大国家研究委员会集成制造技术研究所开发，是一种基于激光熔覆的自由形状制造工艺，可直接从CAD模型生产净形部件[275]。该工艺涉及用聚焦激光束辐照基体以产生熔池，同时从不同的送粉器将粉末形式的填充材料注入熔池[276], [277]。激光固结在航空航天、模具制造和其他领域的快速工具制造、小批量生产和昂贵部件修复方面具有多种潜在用途[278]。Islam等人[109]的一项专利申请描述了一种用于制造或修复涡轮或压气机发动机风扇叶片的激光固结技术。该工艺受控，能产生良好的冶金微观结构，孔隙率和裂纹显著降低。此外，他们强调了该工艺的经济可行性，并展示了其如何带来更好的修复质量。Xue等人[224]采用激光固结在铸造IN-738基体上有效构建一致的IN-738薄壁形状，用于修复燃气轮机叶片。结果显示结合区无裂纹、无气孔，并具有更高的极限抗拉强度、伸长率、应力断裂寿命和结合强度。微观分析表明沉积物与基体之间具有冶金上的紧密结合。在修复区可以看到定向凝固的微观结构，极细的柱状枝晶几乎平行于构建方向（垂直方向）生长。

激光铸造（Laser casting）与吹粉激光熔覆相似，不同之处在于沉积物不焊接在基体上；相反，基体充当模具。相反，激光熔覆铸造（laser clad-casting）创建的熔覆轨迹焊接在基体上，但铺设在确定沉积物横截面轮廓的加工铜块之间。熔覆操作结束后，移除这些铜块[187], [279]。激光铸造/熔覆铸造作为一种快速生产方法，也用于再制造应用[29]。

4.2. 电弧丝材直接能量沉积

电弧丝材直接能量沉积，即AWDED/DED-arc，通常称为电弧增材制造或WAAM，是一种自20世纪90年代以来就被研究用于AM应用的技术，尽管最初的专利提交于1925年[280]。WAAM是一种使用电弧作为热源、丝材作为原料来逐层沉积金属直至形成预定义的3D形状的工艺（图19）[281]。WAAM因其材料用量少、沉积速率高和结构质量优良而被认为是部件修复的绝佳选择[90]。由于其优异的修复效率和低修复成本，以及高达9.5 kg/h的高沉积速率，WAAM非常适用于大型部件的快速修复[282]。WAAM采用的弧焊电源与常见弧焊方法（如GMAW、CMT、GTAW和PAW）中使用的电源类似[283]。基于GMAW的WAAM沉积速率更高，其次是基于PAW的WAAM和基于GTAW的WAAM[284]。表2汇编了先前与各种物体增材修复相关的WAAM研究，概述了修复研究目标以及程序、材料和几何属性以及机器参数。

图19. 机器人GMAW-WAAM系统[281]。

图20. 使用GMAW-WAAM修复磨损链轮：(a) 修复前, (b) 沉积前十层后, (c) 沉积链轮窝弧面前, (d) 修复后, (e) 修复后顶视图[37]。

CMT是由Fronius公司开发的一种改进型GMAW，基于受控短路过渡模式机制。它采用先进的送丝系统和高速数字控制，能产生极低的热输入和优异的电弧稳定性[299]。Priarone等人[23]利用CMT-WAAM系统进行修复沉积，并使用相同的夹具进行后续加工以达到必要的表面光洁度，以修复由H13钢制造的模具嵌件。所提出的修复策略在生命周期能耗和碳足迹方面优于通常的基于替换的方法。Lee等人[90]使用CMT-WAAM系统，通过缩减试样用镍丝修复由灰铸铁制造的机床部件，在评估沉积质量获得满意结果后，对一个实际的十字滑台进行了修复和再利用。Marenych等人[291]采用CMT-WAAM使用相同填充丝修复蒙乃尔K500金属部件，沉积物在热处理后达到了相当的硬度。Fernández [292]使用CMT-WAAM，采用一种填充金属和不同的硬面合金来修复主要工业设备的磨损部分，结果表明磨损部分可以通过CMT-WAAM再制造并改善到比之前更好的状态。

GTAW能产生高质量的焊缝，无焊渣或飞溅，需要最少的焊后清理。与GMAW不同，基于GTAW的WAAM需要使用单独的送丝装置。Zhuo等人[296]使用GTWA-WAAM修复常用于压气机叶片和整体叶盘的钛合金，观察到沉积界面处具有强冶金结合，极限强度达到母材的88.2%。为了进一步探究热循环对晶粒和微观结构演变的影响，他们创建了使用WAAM修复TC17钛叶片的数值模拟[293]。发现多层沉积中热影响区的微观结构与单层沉积有显著不同，这种变化是由重复的热循环引起的。He等人[294]研究了通过GTAW-WAAM制造的低碳钢的疲劳行为，发现WAAMed钢的疲劳裂纹扩展速率低于热轧钢。

PAW与GTAW相似，但等离子体和电弧更为拘束，从而产生更高的能量密度。Jhavar等人[59]使用μPTA AM将AISI P20工具钢丝沉积在同一基体材料上，强调其在模具和冲模表面修复/再制造中的应用。结果表明，μPTA沉积涉及低热输入，是一种成本效益高且环保的模具再制造方法。Gong等人[300]为利用基于μPAW的增材制造修复航空叶片设计了一种灵活的多流路夹具冷却方法，并获得了明显更好的冷却效果和修复过程。

WAAM已有效应用于各种工业领域，用于修复/翻新/再制造多种部件，例如热锻模[287], [301]、机床部件[90]、压气机叶片[295]、重型链轮[37]、模具[23], [302], [303]、凸轮[24]等。

4.3. 电子束直接能量沉积

电子束直接能量沉积工艺，即EBDED/DED-EB，使用丝材作为原料和电子枪作为能量源进行层沉积。电子束增材制造是由Sciaky公司开发的专有EBDED技术，它使用专有的电子枪，根据来自3D CAD模型的几何信息，通过丝材原料沉积金属（图21(a)），并采用专利的闭环控制来确保一致的部件形状、机械特性、微观结构等。EBAM创新的双丝送进技术允许将两种不同的金属合金送入单个熔池，以制造可定制的合金部件[304]。Wanjara等人[305]使用EBAM，通过缩减的Ti6Al4V基体和填充材料的试样（图21(b)），研究了修复严重侵蚀的航空发动机风扇叶片前缘的可能性，获得了完全致密无缺陷的构建结构。确定应力消除后修复叶片的最大位移在风扇叶片的修复标准范围内。发现沉积物的整体显微硬度与母材硬度相当，并且Ti6Al4V EBAM的静态拉伸特性满足标准。这项工作进一步扩展到包括针对疲劳关键部件（如燃气涡轮发动机叶片和导向器）的修复解决方案，并且发现EBAM Ti6Al4V的平均疲劳耐久极限优于锻件[306]。通过EBAM修复的Ti-6Al-4 V试样的屈服强度和极限抗拉强度值超过了ASTM F1108铸造Ti-6Al-4 V标准的要求，但未能达到锻态母材的特性[307]。基于丝材的EB沉积焊用于压铸模具再制造，在沉积区及周边区域未出现明显的热致变形或宏观表面缺陷[95]。表3汇集了先前与不同物体增材修复相关的EBDED研究，包括修复研究目的、方法、材料、几何特征和机器参数。

图21. (a) Sciaky公司的EBAM系统[304]；(b) 使用EBAM在Ti6Al4V基体上构建的Ti6Al4V壁状结构[305]。

电子束自由成形制造技术由美国国家航空航天局发明，用于在太空中制造金属部件，该技术采用电子束枪、双丝送进和计算机控制以增材方式构建金属结构[312], [313]。NASA的EBF³技术有望用于地面制造飞机结构，以及在轨道上建造和修复航天器部件与结构[308], [309], [310], [314]。Kovalchuk等人[311]采用xBeam 3D金属打印（一种受EBF³启发但辅以同轴送丝技术的专有EBDED技术（图22））来修复气体放电电子束枪的冷环形阴极，作为一个测试案例以展示其在再制造应用中的潜力。

4.4. 激光粉末床熔融

粉末床熔融是一组采用激光或电子束将粉末材料熔化并熔合在一起以形成三维零件的增材制造工艺[315]。DED技术通常用于修复、维护和更换场景以重建缺失的材料，而PBF通常用于按需制造替换零件。PBF技术也已被用于各种部件的修复/翻新/再制造。用于金属和合金的激光-PBF工艺主要有两种：直接金属激光烧结和选择性激光熔化[316], [317], [318]。DMLS基于金属粉末的烧结/部分熔化，而SLM基于完全熔化[319], [320]。SLM是一种成熟的制造近净形零件的工艺，其相对密度高达99.9%并具有良好的机械性能[321]，这使其成为LPBF中修复功能部件的合理选择。表4总结了先前与各种物体增材修复相关的LPBF研究，详细说明了修复研究目标以及工艺、材料、几何特征和机器参数。

图22. xBeam 3D金属打印技术：(a) xGun示意图；(b) 辐照区电子束-丝材相互作用示意图；(c) 沉积过程实景图[311]。

图23. 用于燃烧器修复的SLM增材制造技术[324]。

Buican等人（2014）[322]采用SLM技术，利用通过逆向工程创建的三维CAD模型，再制造了缝纫机上的磨损齿轮，从而用钢再制造了该零件，并延长了整个组件的使用寿命。Zghair等人[328]研究了使用SLM技术和AlSi10Mg金属粉末修复铝部件，显微组织和力学评估表明，母材与SLM制造的部分具有优异的界面结合，其强度足以承受预期载荷。Montero等人[323]使用SLM技术有效再制造了电动柴油发电机的阀盖，以应对替换部件供应物流受阻或备件已停产的情况。采用SLM工艺修复燃气轮机燃烧器喷嘴头（图23）已被证明不仅比传统的燃气轮机燃烧器喷嘴头修复程序快10倍，而且还能将修复后的燃烧器修改为最新设计[324], [329]。基于SLM的燃气轮机燃烧器工业修复的生命周期评估研究表明，与传统的基于机械加工的修复相比，其在能耗和碳足迹方面表现出更优的性能[325]。扫描激光外延是一种类似于SLM的LPBF方法，其中"外延"在工艺术语中指在另一种晶体上生长或沉积单晶层的过程。SLE旨在实现镍基高温合金的单晶生长[330]。Acharya和Das [326]通过将IN100镍基高温合金粉末沉积在IN100铸造基体上，形成了无裂纹、致密、冶金结合的沉积层，证明了SLE在修复涡轮发动机热端部件方面的潜力。

4.5. 电子束粉末床熔融

电子束粉末床熔融，即EBPBF/PBF-EB，与LPBF相似，不同之处在于EBPBF中使用电子束而非激光作为能量源来熔化金属粉末[331], [335]。电子束熔化是一种注册商标的EBPBF技术，由Arcam AB公司设计并销售[336]。EBM系统利用来自3D CAD模型的信息，通过聚焦电子束选择性熔化金属粉末，并铺设后续层以创建三维物体[334]。采用镍基高温合金制造的燃气轮机叶片可使用EBM进行修复[331]。EBM甚至可用于制造多材料结构，通过在不同成分的材料层覆盖在用作为金属基体的有缺陷部件上，用于功能部件的制造/再制造[332], [333]。Liang等人[337]采用EBM技术，用填充板代替粉末床来修复受损的34CrNiMo6钢板基体。这种方法被称为电子束重熔，涉及对填充板进行重熔。由相同材料制成的填充块/板用于填充基体中代表缺陷的槽。该研究重点关注线能量的影响，发现线能量不仅在决定熔宽、熔深、重熔区和热影响区的显微硬度和拉伸性能方面起着重要作用，而且还主要通过预热和回火两种热影响来改变微观结构。Portolés等人[338]为EBM提供了一种鉴定方法，用于根据航空航天领域的所有管理、监管和认证标准来重建和修复飞机零件。EBM也已用于生物医学植入物，用于骨骼修复、假体康复、长骨修复、椎体置换、颅颌面重建等目的[334], [335], [336]。表5汇集了先前与各种物体增材修复相关的EBPBF研究，详细说明了修复研究目标以及程序、材料和几何属性及机器设置。

图29. (a) 商用混合机床，配备 (b) 5轴CNC铣头和Nd:YAG激光LDED头，以及 (c) 在该机床上制造的零件[402]。

增材-减材混合技术

在再制造应用中，将增材与减材制造工艺相结合已成为许多关注的焦点。这种结合不仅利用了各自工艺的能力，还克服了它们的缺点[393]。由于像机械加工和磨削这样的减材制造工艺通常在增材再制造的预处理和后处理阶段使用，这里所指的混合技术主要局限于那些将增材和减材工艺结合在单一系统中用于再制造应用的系统。市场上有几种商用增材-减材混合系统（图29）[394]，其中一些列举如下：

为了利用增材-减材混合系统在再制造和工艺阶段自动化方面的能力，正在进行多项研发工作（图30）[403]。用于再制造应用最广泛的增材-减材混合系统是将用于材料沉积的LDED工艺与用于磨损表面准备和沉积后加工的CNC加工相结合[404], [405], [406], [407], [408]。在此背景下：

加工与WAAM的混合也用于修正表面缺陷和损伤修复，其中WAAM用作增材工艺，而加工用于通过开槽和沉积后加工/精加工来去除缺陷[23], [298]。

图30. 在混合机床上再制造注塑模具组件：(a) 采用激光DED进行材料添加以实现近净形，(b) 后续加工以达到所需形状和表面质量[403]。

逆向工程在增材再制造中的应用

逆向工程用于快速、精确地获取磨损部件损伤区域的信息，为后续将部件恢复至原始状态的操作奠定基础[273]。增材制造中的逆向工程方法整合了以下步骤：使用3D扫描仪采集表面数据、创建标称部件和损伤表面的3D模型、执行配准操作、提取增材/减材修复路径、进行刀具路径仿真，以及执行增材/减材操作，以促进损伤部位的恢复（图31）。通常，使用3D光学/激光扫描仪器[85], [273], [419]或坐标测量机[79], [411], [420]将受损部件的表面几何形状捕获为3D数据形式。然后，通过一个将标称（原始）部件的CAD模型与受损部件进行比较的配准操作，来识别和定位部件的损伤区域[273], [419], [421]。ICP算法及其变体是实现3D数据可靠配准最流行和常用的方法。CAD模型有多种格式可用，但在增材制造应用中最常用的是STL格式[85]。STL是一种3D表面几何的三角形表示，由来自三角形网格节点的面片和矢量数据组成[419]。Li等人[422]实现了一种改进的ICP算法，结合距离和曲率约束，以获得更高的配准精度。Zheng等人[79]在使用最佳拟合技术将点云与CAD模型对齐后，通过比较受损部件点云与标称CAD模型点云之间的基于距离的差异，来计算修复体积。Liu等人[423]应用了一种形状自适应算法，通过比较有缺陷的涡轮叶片与标称CAD模型的多边形截面来确定损伤部分，随后修剪标称模型以生成修复体积。Ghorbani和Khameneifar [424]提出了一种CAD到扫描的非刚性配准方法，该方法通过几何误差评估逐步变形标称CAD模型，使其在未损坏部分拟合到受损叶片上，从而不仅能识别材料缺失损伤，还能识别叶片的表面变形。

图31. 数据采集与增材修复仿真中的逆向工程[422]。

研究中也尝试创建完全独立于任何标称模型的重建模型。Piya等人[274]在没有涡轮翼型标称模型的情况下，通过数字化手段构建了受损涡轮翼型的3D CAD模型并估算了所需的修复体积。具体而言，他们通过从无损区域外推显著横截面的几何属性到缺陷区域，重构出来自受损翼型模型的标称翼型模型，从而消除缺陷。修复体积是通过计算标称模型与缺陷模型之间的布尔差集来确定的。通常，布尔运算是在两个相同形式的几何模型上执行的，例如两个实体模型或两个网格模型。Zhang等人[419]提出了在三角网格模型和精确的B-rep实体之间进行布尔运算的方法。Gao等人[409]采用基于逆向工程的曲面延伸方法，外推有缺陷涡轮叶片扫描模型的曲面行，以重建用于修复叶尖缺陷的标称模型（图32）。Hascoet等人[425]通过采用一种名为InterSAC的方法（该方法结合了改进的RANSAC算法），在不使用标称CAD模型的情况下计算了修复体积。这种InterSAC方法包括对缺陷（例如，型腔）和周边区域（例如，平面）进行激光扫描、几何特征分类，以及通过求取型腔边缘与周边平面的交集来提取修复体积[219], [426]。Strong等人[427]将StepRANSAC算法与SDM结合使用，通过具有适当曲面形状和位置参数的基本曲面拟合，重建了受损物体的标称CAD模型。

图32. 在逆向工程环境中实施的叶尖重建流程[409]。

CT扫描图像也用于获取物体的3D数据；例如，Cohen等人[94]通过对骨骼进行CT扫描，区分有缺陷和无缺陷骨骼的扫描结果，然后对生成的几何体进行光栅路径规划，实现了基于增材制造的股骨缺损修复。Liu等人[412]采用立体视觉和图像处理技术来检测受损部分并执行局部3D重建。Zheng等人[428]使用深度视觉相机系统和基于深度学习的分类算法来识别和定位全局3D坐标系中的各种损伤特征。Wu等人[290]在机器人WAAM过程中使用立体视觉来校准工作坐标。Zhang等人[273]采用单dexel建模，通过对比投射射线与有缺陷和未使用叶片的扫描数据的交点，来定位损伤并构建修复体积。之后，Zhang等人[421]提出了一种基于三dexel建模的损伤重建方法，该方法通过沿X、Y和Z三个维度的不同dexel构建（图33），并将网格间距减小到0.2毫米，从而足够精确地描绘出损伤区域。Zhang等人[81]还提出了一种基于体素的修复体积重建过程，该过程涉及使用大量微小立方体来描述3D对象。

图33. (a) 多面体模型, (b) 体素模型, (c) 单dexel模型, 和 (d) 三dexel模型截面比较（沿z轴的dexel不可见）[421]。

在确定了修复体积和位置之后，必须生成适用于指定增材修复技术的刀具路径。Masood等人[429]、Liu等人[430]和Zhang等人[85]介绍了直接从点云生成刀具路径的方法。他们的方法涉及采用贝塞尔曲面插值算法来重构曲面。Imam等人[218]直接从点云构建刀具路径，跳过了曲面重建和配准过程，从而降低了计算成本。Mineo等人[431]提出了一种网格跟踪技术，该技术使用STL文件作为源并直接生成刀具路径。Zhang等人[193]提出了一种用于机器人激光熔覆系统的自适应切片方法，用于复杂部件的修复和再制造。

6. 增材再制造的决策支持框架

决策支持框架用于发现实现预期结果的适当行动，同时平衡各方利益。决策支持系统涵盖了多种基于计算机的工具，旨在辅助决策和参与性活动。将人工智能融入决策支持系统可将这些系统转变为智能决策支持系统。决策支持系统采用以下一个或多个系统：数据驱动、模型驱动、通信驱动或知识驱动系统。关于再制造程序或部件可再制造性的决策也受到部件在使用前设计和制造阶段的影响。在增材再制造决策中，基于知识的系统、深度学习算法和其他决策支持工具被用于选择适当的工艺、工艺序列、商业模式等，同时考虑技术、经济和社会优势。由于第四次工业革命引入了智能工厂和分散决策的概念，其对再制造领域的影响具有不可否认的杠杆作用。在增材再制造决策支持框架的范围内，以下小节将讨论面向增材再制造的设计、增材再制造的决策制定以及面向增材再制造的工业4.0范式。

6.1. 面向增材再制造的设计

面向再制造的设计是一种设计过程，旨在控制与产品设计相关的再制造方面。DfR试图通过以便于拆卸、清洁、再加工和重新组装的方式设计产品，来提高再制造操作的效率[432]。设计与再制造之间更好的沟通可能会产生更多可再制造的物品。Tchertchian等人[433]讨论了诸如"面向拆卸和回收的设计"、"面向模块化的设计"和"面向再制造的设计"等DfX技术如何有助于设备在多个生命周期内的恢复和重用。他们还认为，模块化产品设计可能有助于对任何设备进行模块化再制造以重复使用，这对经济、环境和物流问题产生有利影响。根据Ijomah等人[70]的观点，为再制造设计部件的主要挑战在于避免那些阻止部件恢复其原有功能的特性。Gao和Wang[434]探讨了如何利用模块化/可重构设计、特征改装和基于DMD的再制造，通过多个周期来延长机床的使用寿命。Kandukuri等人[345]扩展了TRIZ（发明性问题解决理论的俄文缩写），创建了一种称为ETRIZ的方法，用于修复过程及面向增材再制造的设计。再制造业务的若干方面缺乏通用标准。标准通过确保跨国家和跨行业沟通与方法的一致性，来保证产品质量、可持续性和性能。Pratapa等人[435]研究了标准如何协助数字技术解决再制造约束，同时也为转向数字再制造的企业提供了巨大的创新机会。

6.2. 增材再制造的决策制定

一些研究人员正在努力提出和实施不同的概念框架，这些框架可根据产品状态来选择和规划再制造操作。Kin等人[436]提出了一种基于FMEA指标、风险优先级数排序以及按缺陷分类再制造操作的再制造工艺序列规划方法，并通过凸轮轴凸轮表面的再制造进行了验证。Li等人[437]提出了一种基于知识系统辅助的特征提取策略（图34），通过将目标对象与标称对象进行比较来提取其公共体积和添加/减去体积，然后基于制造工艺约束，使用知识系统识别所需的增材/减材操作。Kim等人[438]开发了一个框架（图35），包括3D扫描、维护支持系统和3D打印，用于修复损坏的部件，并通过修复一个破损的球体验证了该框架。该维护支持系统包括三个模块：一个用于存储、管理和提供维护所需信息的零件库管理模块，一个用于从目录中检索部件以识别磨损部件的检索模块，一个用于识别损伤位置和程度以及评估修复部分不准确性的形状比较模块。Wu等人[354]开发了一个智能的基于冷喷涂的增材制造修复框架，该框架由一个3D扫描系统、一个提供相关缺陷修复策略的动态缺陷修复知识库系统以及一个冷喷涂增材制造系统组成。Ke等人[29]制定了一种集成设计策略，用于根据性能要求利用适当的再制造工艺方案并解决冲突。为此，将KE和QFD耦合以评估性能要求，实施神经网络以基于历史再制造工艺数据构建预测模型，并利用ToC和TRIZ来识别和解决再制造工艺方案之间的冲突。Yilmaz等人[439]提供了一种基于逆向工程、自由曲面建模和加工的综合MRO方法，并在薄弯压气机叶片上有效执行了所提出的策略，以创建有效且具有成本效益的修复解决方案。Tsimba等人[440]提出了一种集成的图像处理和基于机器学习算法的决策系统，该系统可以评估磨损的齿轮或轴承是否可修复，而无需依赖人工检查。

Despeisse等人[441]探讨了基于增材制造的再制造对商业模式的影响，就基于服务架构的企业如何为采用增材制造产生更大激励建立了命题。该研究考察了增材制造采用的三种特定的延长产品寿命的运营策略：为提高耐用性而进行的产品重新设计、用于维修和保养的备件制造以及直接原位修复。Strong等人[427]展示了如何利用设施选址模型，战略性地设置基于增材制造的再制造中心，以便在逆向物流链中为中小企业提供增材制造修复服务，该链条涉及从消费者那里回收旧物品并将其送回修复设施。Du等人[442]没有对报废产品进行再制造，而是开发了一个基于状态监测和诊断的在役机床再制造框架（图36）。通过一个重型卧式车床再制造的案例研究验证了该模型和方法，该案例展现了显著的技术、经济和社会优势。

图34. 基于知识系统辅助的特征提取策略主要步骤[437]。

图35. 使用增材再制造修复损坏部件的维护框架[438]。

图36. 基于状态监测与诊断的在役机床再制造框架[442]。

6.3. 面向增材再制造的工业4.0范式

"工业4.0"这一术语指的是继之前三次工业革命——"机械化和动力生产"、"大规模生产"以及"数字化和逻辑控制的自动化"——之后出现的第四次工业革命。工业4.0建立在信息物理系统、云计算、大数据、物联网、网络安全、增强现实、仿真、机器人技术和3D打印等技术基础之上[443]。工业4.0利用数字技术使生产更加敏捷、适应性强，并以客户为中心。这也使得生产线和部门能够跨越地理边界进行通信。人们致力于在再制造系统架构中实施工业4.0使能技术，以实现互联、信息共享、技术辅助和分散决策。图37概述了将这些技术应用于再制造系统的前景与优势。Wang等人[444]提出了WRCloud，一个基于云计算的废弃电气电子设备再制造框架（图38），该框架集成了基于服务的业务架构、云计算和电子制造，旨在重塑再制造行业并转变其商业模式。此外，Wang和Wang[445]引入了一种支持数字孪生的信息物理系统，用于废弃电气电子设备再制造，其中数字孪生在连接信息（云）世界和物理世界方面发挥着至关重要的作用。RECLAIM [446]是一个由欧盟资助的"未来欧盟工厂"倡议项目，它提出了一种基于大数据分析、机器学习、预测分析、信息物理系统以及采用深度学习方法和数字孪生模型的优化模型的新型再制造框架。RECLAIM项目的目标是为利益相关者提供所需信息，以决定是否对接近使用寿命末期的大型机械进行修理、升级或再制造。Kerin等人[447]提出将数字孪生作为一种通过提高对即将回收的核心部件数量、状况、需求和处理前景的可视性，来增强和自动化再制造决策的模式。

图37. 在再制造系统架构中实施工业4.0使能技术的机遇与益处[448]。

图38. 三层WRCloud架构[444]。

结论与未来展望

本文对增材制造在部件再制造中的应用进行了全面分析，重点阐述了受损部件的增材再制造如何为其恢复至如新状态提供了巨大潜力。分析表明，多年来，基于增材制造的修复与恢复在再制造应用中的研究兴趣激增。航空部门在再制造中应用增材制造处于领先地位，其次是汽车和船舶部门，其中中国、美国、德国、英国和印度对此研究的贡献最大。在针对特定产品的增材制造再制造部署中，涡轮叶片的修复最为常见，其次是模具以及机械设备。

LDED 是应用最广泛的基于增材制造的再制造技术，约占所有应用的一半，其次是 WAAM 和增材-减材混合技术。再制造应用中最普遍的基于 LDED 的工艺是激光熔覆，其次是 LENS。实践证明，基于激光熔覆的再制造比 GMAW/WAAM 更快，使用的材料更少，所需的人力更少，并能改善机械性能和腐蚀特性。相反，WAAM 具有高沉积速率、低修复成本、优异的修复效率并能提供出色的结构质量，使其成为大型部件修复的绝佳选择。同步送粉水下激光熔覆技术展示了其在船舶、海底管道和基础设施的水下原位修复与再制造中的应用潜力。LENS/LMD/DMD 等 LDED 工艺因其颠覆性的增材能力（能够提供高质量、成本效益高的修复和沉积）以及快速修复部件的自由成形能力，在再制造中日益受到欢迎。基于 LDED 的再制造中，最终的修复质量受多种固有和可调参数的控制，其中最重要的是激光功率、送粉速率、扫描速度和扫描间距。

基于 EBAM 的再制造已显示出其在部件修复方面的潜力，能保持一致的部件形状、机械性能和微观结构，并且由于使用双送丝而可能实现材料梯度变化。NASA 的 EBF³ 使得在轨修复航天器部件和结构成为可能。基于 LPBF 和 EBPBF 技术的增材制造方法，如 DMLS、SLM 和 EBM，被用于部件再制造，实现了优异的界面结合、足够的机械性能和无缺陷的修复。DED 技术常用于修复、维护和更换以重建缺失材料，而 PBF 技术通常用于按需制造替换部件。MEX 工艺，如 FDM/FFF，已应用于塑料部件的翻新、损坏的 3D 打印聚合物结构的修复以及聚合物生物植入物的修复和制造。CSAM 产生无氧化物沉积，并且由于是非熔融加工，不会对基体材料产生不利影响。CSAM 的主要应用在于修复磨损和腐蚀缺陷以及铝部件的机械损伤，特别是在飞机部件的再制造中。AFSD 是一种新型固态增材制造工艺，它将搅拌摩擦原理与材料输送机制相结合，已在部件再制造和尺寸修正中得到应用。

使用混合加工技术再制造金属部件已被证明是一种实用且有效的方法，可在同一机床上获得精确复杂的形状。由于增材制造和加工均在 CNC 机床内执行，无需零件重新装夹，并且保留了相同的初始几何基准，从而减少了总制造时间。此外，由于在混合系统中使用了像 CNC 铣削/磨削等精密加工技术，修复后的部件具有优异的表面质量。由于混合加工具有吸引人的潜力，各种商用混合加工系统已被开发并投入使用。

修复体积重建对于设置增材制造刀具路径和引导增材制造工具沉积需要恢复的几何形状至关重要。逆向工程已成为确保部件增材制造/再制造有效实施的重要工具。逆向工程使得能够快速准确地识别磨损部件的损坏区域，促进将部件恢复至如新状态所需的再制造过程。必须在生产前的部件设计阶段就考虑面向再制造的设计，将部件设计得更易于拆卸、清洁、再加工和重新组装，使其易于修复并在多个生命周期内重复使用。在增材再制造决策中实施了不同的基于知识的决策框架，并证明其在选择合适的工艺、工艺序列、商业模式等方面是有效的。在再制造系统架构中采用工业 4.0 使能技术，通过实现跨地理边界的连接、信息交换、技术支持和分散决策，展示了其彻底改变再制造行业的潜力。

尽管增材制造技术的应用使再制造能力更强，但选择合适的材料和方法仍然需要专门的关注，并取决于许多技术经济因素。尽管在监测和控制沉积几何特征方面投入了大量的研究工作，再制造部件的质量仍然是一个问题。表面质量、在垂直和倾斜特征上的沉积以及工艺可重复性是当前基于 LDED 的修复工艺普遍关注的问题，需要通过调控和优化大量工艺因素来解决。除了 GMAW-WAAM 之外，基于电弧和电子束的 DED 工艺在增材再制造中的应用尚未得到广泛研究。尽管 CSAM 为部件修复提供了巨大前景，但在喷嘴堵塞、工艺参数的调控、修复部位的低延展性以及缺乏 CSAM 设备设计标准方面仍然存在挑战。对于基于 AFSD 的修复，工具和沉积的小型化可能是实现具有更高空间分辨率的更薄沉积轨迹的一条可行途径。通过使用额外的加热装置控制变形，可以扩展 AFSD 工艺窗口，以使用高强度和高熔点材料进行修复沉积。随着逆向工程成为再制造过程的一个重要方面，具有更高效率和精度的几何重建算法的进步将进一步有助于建立用于复杂几何形状部件损伤区域修复的稳健模型。如果将产品模块化概念与面向再制造的设计相结合，将能进一步促进产品再制造。进一步的研究可能集中在增材制造修复部件的耐久性、不同材料和机器组合的功能与质量，以及替换部件和原位修复的成本模型上。有必要对开发具有更高灵活性、数字化、自动化和智能化水平的再制造系统进行研究，以更精确地控制修复沉积物的性能和形状。工业 4.0 使能技术有能力在寻找可接受的工艺和参数以及决定是修理、升级还是再制造的过程中减少试错；然而，这些技术在再制造中的应用仍处于起步阶段。在制定再制造规范和指南，以及对再制造过程在各种商业模式中创造价值的能力进行政策研究方面，需要进一步关注。此外，研究可侧重于设计相关的逆向物流网络以收集核心件，同时解决预测收集到的核心件质量水平这一日益严峻的挑战。

系统性综述:基于增材制造的部件修复与恢复再制造技术

本文完结，长三角G60激光联盟

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟