《Proceedings of the Design Society》：Automation of part preparation for PBF-LB/M-based additive repair of turbine blades
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涡轮叶片属于高价值零部件，其更换成本高昂且周期漫长，因而对有效修复策略的需求日益增加。尽管粉末床激光熔化金属成形技术（PBF-LB/M, Powder Bed Fusion using a Laser Beam for Metals）能够支持精确的增材修复，但
涡轮叶片属于高价值零部件，其更换成本高昂且周期漫长，因而对有效修复策略的需求日益增加。尽管粉末床激光熔化金属成形技术（PBF-LB/M, Powder Bed Fusion using a Laser Beam for Metals）能够支持精确的增材修复，但其应用仍受限于手动操作且耗时冗长的备件准备工序。本研究提出了一种自动化数字工作流，用于切割平面定义、修复几何重建及零部件对位，旨在提升基于PBF-LB/M的涡轮叶片修复的可重复性并缩短准备时间。
在航空航天领域，供应链中断问题日益严峻，地缘政治冲突、经济不稳定以及不可预测的事件均加剧了这一问题，导致航空发动机制造所需的高性能高温合金出现短缺。由此，大量飞机被迫超出其设计服役寿命运行，进一步提升了对可靠且具有成本效益的维护、维修与大修（MRO, Maintenance, Repair and Overhaul）服务的需求。在此背景下，涡轮叶片的修复已成为可持续性与经济性关注的焦点。涡轮叶片不仅是发动机中最易磨损的部件之一，约占发动机相关故障的50%，同时也是更换成本最高的部件之一——全新的40片叶片组需要60至90周的制造周期，成本高达60万美元，即每片15,000美元。通过修复延长其服役寿命可显著节约成本并促进资源的可持续利用。
然而，涡轮叶片的工业修复面临重大挑战，主要原因在于当前仍普遍依赖手工操作的传统工艺。这些依赖人力的方法引入了质量波动性，限制了生产效率，并制约了规模化扩展能力。在全球MRO维修车间产能已提前数年排满、发动机维修 waiting time（等待时间）成为常态的背景下，解决现有修复方法的局限性对于MRO行业的韧性与可持续性至关重要。
增材修复已成为延长高价值金属零部件服役寿命的适用策略，尤其在材料稀缺、交付周期长、生产成本高的领域，亟需替代性维护方案。定向能量沉积（DED, Directed Energy Deposition）和粉末床激光熔化金属成形技术（PBF-LB/M）等增材制造工艺已被识别为进一步的金属零部件修复方法。这些技术能够在受损区域进行局部材料沉积，尽管由于工艺特定的约束条件，其适用性存在差异。现有研究表明，DED仍是最为成熟的修复技术；然而，研究一致报告了其表面质量、尺寸精度及冶金结合质量方面的局限性。这些不足促使研究人员日益关注PBF-LB/M技术，该工艺具有更优的过程分辨率，因而更适合具有复杂几何形状和严格公差的零部件。
PBF-LB/M修复工作流包含三个关键阶段：前处理、过程中和后处理。其中，前处理阶段通常最为耗时，因其涉及多项手动和计算操作。在此阶段，首先需要识别并定位受损区域，随后在缺陷部位定义平面切割曲面，以最大限度地减少材料去除、促进资源利用效率，并确保与PBF-LB/M工艺的兼容性。对平面界面的需求源于PBF-LB/M的内在特性，该工艺依赖均匀的参考平面以实现整个构建过程中一致的粉末铺展和精确的层间熔合。
为将这一以全手动为主的工序转变为可自动化、可重复的数字工作流，研究人员在本研究中引入了两个专用数字设计工具：切割平面定义工具（Cutting Plane Definition Tool），用于系统化和自动化受损区域的分割；以及重建工具（Reconstruction Tool），用于基于原始零件设计进行一致且精确的几何恢复。为补充这些数字方法，研究人员还开发了一种用于自动化对位的修复夹具，以使标准PBF-LB/M设备适应涡轮叶片修复的需求。
**关键技术方法**
本研究所涉及的主要关键技术方法包括：（1）基于深度学习的损伤分析技术，用于自动识别缺陷类型和缺陷位置；（2）切割平面定义工具中的迭代优化算法，基于用户定义的参数（如角度限制、搜索分辨率、加工约束及设备特定工艺参数）生成并评估可行切割平面集合，通过规则化过滤实现基于规则的决策；（3）重建工具中的迭代最近点（ICP, Iterative Closest Point）算法，基于Open3D库实现，用于名义几何与实际几何的表面配准，采用混合对齐策略（用户在Autodesk Fusion内选择对应参考点后自动计算变换矩阵）；（4）基于Python的Autodesk Fusion插件开发技术，用于修复体积生成、布尔运算及STL/STEP数据导出；（5）几何自适应夹具设计技术，针对涡轮叶片根部几何特征采用摩擦配合（friction-fit）界面实现半自动化定位和夹紧，并确保粉末密封性能；（6）自动化预成形检测（preform detection）技术，利用高分辨率相机在受控照明条件下捕获图像，通过边缘、角点或轮廓等参考特征识别，实现数字修复几何与物理零件的精确配准。
**研究结果**
**切割平面定义工具的自动化实现**：研究人员开发了切割平面定义工具，该工具在Autodesk Fusion平台内运行，基于前期损伤分析获得的缺陷信息（而非纯粹的几何启发式方法）直接驱动切割平面生成。工具首先自动将模型划分为可修复区域和不可修复区域，随后检测缺陷区域并全自动生成相应的修复体积。通过用户定义的参数集生成可行切割平面集合，并在迭代循环中过滤无效平面（如切入不可修复区域的平面），将经验基础的选择任务转化为基于规则的决策过程。对于每个有效平面，工具计算修复体积、构建高度等几何数据，并结合与PBF-LB/M修复中的工艺稳定性、热暴露及后处理工作量相关的参数，支持最优切割平面的知情选择。最终，工具导出STL和STEP格式的处理几何以及包含所有相关参数的记录文件，确保切割平面决策的可追溯性和可重复性。
**数字重建与构建准备**：重建工具作为基于Python的Autodesk Fusion插件，用于基于切割平面定义工具确定的修复体积进行受损几何的数字重建。当无名义CAD模型时，该工具额外支持逆向工程工作流以推导参考几何。其工作流程包括：名义几何与实际几何的导入、网格数据到实体的转换、基于定义参考点的对齐、通过布尔减运算创建修复体积，以及可选的偏移操作精修，最终以STL和STEP格式导出。在构建准备阶段，修复体积被定位和定向于虚拟构建平台上，生成支撑结构，并根据目标PBF-LB/M系统的工艺参数（层厚、激光功率、扫描策略）进行分层切片，验证层间工具路径的完全覆盖性，最终导出为设备特定的作业文件。
**实验验证与几何精度评估**：研究人员使用Aconity3D MIDI+系统进行实验验证，该系统配备直径250 mm的构建平台和最大250 mm的构建高度，通过专用夹具系统实现复杂非平面零部件的稳定定位。夹具系统针对高压涡轮第二级涡轮叶片的几何接口进行适配，采用重新设计的摩擦配合机制实现半自动化叶片根部定位和夹紧，并配合密封顶板设计防止粉末渗入。修复后的定量偏差分析显示，修复表面的平均偏差为0.338 mm，标准差为0.084 mm，大多数修复表面位于名义几何的±0.4 mm范围内。局部最大偏差0.554 mm出现在叶片端部邻近区域，归因于预成形检测中的残余错位及粉末铺展过程中的局部热效应。
**讨论与结论**
研究人员通过代表性涡轮叶片尖端的修复验证了所开发工具及夹具系统的有效性。切割平面定义工具支持受损区域的系统分割，实现一致的数据采集并减少主观决策；重建工具通过自动化对齐、修复体积生成和数据导出进一步加速工作流。尽管部分用户交互仍有必要（特别是参考点选择），但与传统手动方法相比，该工具链已显著减少准备时间并提高可重复性。夹具系统的几何自适应夹紧概念实现了涡轮叶片的可重复精确定位，有效最小化了铺粉过程中的位移，并确保了可靠的粉末密封。
然而，结果同时表明，夹具精度本身尚不能完全消除对位偏差。预成形检测步骤在叶片外尖端引入了轻微错位，表明需要进一步优化光学采集、参考算法和夹具标定。总体而言，该集成数字工作流在修复表面大部分区域保持了几何一致性，同时凸显了高度弯曲区域对对准和热边界条件的敏感性。
**研究结论**：本研究所提出的切割平面定义工具、重建工具和几何自适应夹具系统为基于PBF-LB/M的增材修复中的关键前处理步骤提供了结构化且可重复的自动化方法。通过将此前依赖经验的切割平面定义、几何重建和零件对位决策形式化，所提出的工作流在保持涡轮叶片修复所需几何精度的同时显著减少了手动前处理工作量。偏差分析确认修复叶片尖端达到了早期修复应用可接受范围内的几何精度，而观测到的局部偏差则突显了参考与对准方面尚存的挑战。夹具概念的进一步优化、更稳健的预成形检测以及对准程序的更高自动化程度有望提升修复精度、过程鲁棒性及所提出方法的工业适用性。
