增減材復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其展望

李宏　陳志佳

摘 要：本文簡單介紹增減材復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對其基本原理進(jìn)行簡單的描述，并分析了國內(nèi)外基于增減材制造所面臨的挑戰(zhàn)，最后展望了增減材復(fù)合加工技術(shù)的發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的加工理念上，增材制造和減材制造（如傳統(tǒng)的車、刨、銑、磨等）看起來好像是完全對立的兩面。但是近幾年，一種結(jié)合了增材制造與傳統(tǒng)減材加工的優(yōu)點的技術(shù)正吸引著越來越多研究者的目光，這就是增減材復(fù)合加工技術(shù)。該技術(shù)將增材制造與減材制造（如“數(shù)控加工”）進(jìn)行有機(jī)集成，復(fù)合了各自的工藝，令到加工技術(shù)優(yōu)勢升華到一個更高檔次，具備高精度、高效率、高自動化。圖1為增材制造與減材制造結(jié)合后的優(yōu)勢體現(xiàn)。

1 增減材復(fù)合加工技術(shù)的原理

增減材復(fù)合加工技術(shù)是一種將產(chǎn)品設(shè)計、軟件控制以及增/減材制造相結(jié)合的新技術(shù)。通過設(shè)計軟件生成的3D模型，將其進(jìn)行厚度分層，進(jìn)而將零件的3D數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一系列的2D或3D輪廓幾何信息，這些幾何信息融合入沉積參數(shù)和機(jī)加工參數(shù)，生成出增材制造加工路徑數(shù)控代碼，最終成型3D實體零件。然后通過對成形的3D實體零件進(jìn)行測量，進(jìn)行特征對照，尋找誤差區(qū)域后，采用減材制造對零件進(jìn)行進(jìn)一步的加工修正，直至符合產(chǎn)品設(shè)計要求。這可以在同一臺機(jī)床上實現(xiàn)“加減法”的加工，是現(xiàn)有的3D打印和數(shù)控切削加工組合的混合型方案。不僅避免了原本在多平臺加工時工件的夾持與取放所帶來的誤差積累，提高制造精度與生產(chǎn)效率，同時也節(jié)省了車間空間，降低制造成本。

從增減材復(fù)合加工技術(shù)的原理可以看出，該技術(shù)的實質(zhì)是CAD軟件驅(qū)動下的三維堆積和機(jī)械加工過程。因此，一個基本的復(fù)合加工系統(tǒng)由以下幾個部分組成：CNC加工中心、沉積制造、送料系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)。圖2為增減材復(fù)合加工原理。

2 增減材復(fù)合加工技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

增減材復(fù)合加工技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計階段，就要統(tǒng)籌考慮增材制造中可能出現(xiàn)的問題。首先，從制造成熟程度方面看，減材制造經(jīng)過自工業(yè)革命以來數(shù)百年的發(fā)展，在機(jī)構(gòu)設(shè)計、自動控制、智能檢測、設(shè)備等方面積累了十分成熟的經(jīng)驗。但是以觀增材制造技術(shù)，其發(fā)展歷史僅有數(shù)十年，目前由于成本、效率、精度、材質(zhì)、力學(xué)性能等方面還難以全面戰(zhàn)勝傳統(tǒng)減材制造工藝，因此，目前多數(shù)3D打印工藝還是處于“看上去很美”的景況。材料收縮、零件各個方向的變形、表面形貌等，以及零件的形狀特征，如復(fù)雜型腔、內(nèi)孔、薄壁、彎曲管道等，都是增材制造中經(jīng)常要面對和解決的難題。

另外，在增材制造中，成型效率與成型精度是相互矛盾的，提高成型精度，往往意味著采用更小聚焦光斑或噴嘴，更薄的層厚，結(jié)果導(dǎo)致成型時間大幅增加；而提高成型效率，則會導(dǎo)致更糟糕的成型精度。

另外，在減材制造中也需要考慮工藝過程受到的各種制約，如刀具的幾何形狀，刀具運動軌跡、范圍，以及刀具轉(zhuǎn)向次數(shù)等。

而在燒結(jié)功能梯度材料的過程中，需要適時、適量地傳送多種不同粉末，以獲得按梯度變化的材料配比。送粉系統(tǒng)必須分別控制每種（多達(dá)四種）粉末的流量和流速。同時在激光增材制造過程中，需要精確控制送粉量的大小。粉末流量必須均勻一致，根據(jù)控制指令，送粉量大小實時可調(diào)。最低粉末流量要達(dá)到每分鐘一克。現(xiàn)有的送粉系統(tǒng)流量太大，不夠均勻一致，且流速不穩(wěn)，不能夠精確送粉。需要設(shè)計新的送粉系統(tǒng)，精確地控制粉末流量流速，實現(xiàn)極小流量送粉的均勻一致性與可重復(fù)性。

3 結(jié)束語

增減材復(fù)合制加工技術(shù)因其結(jié)合了增材制造與傳統(tǒng)減材加工的優(yōu)點，對于經(jīng)常使用高硬度復(fù)合金屬材料、機(jī)密加工的民航工業(yè)以及國防工業(yè)，增減材復(fù)合加工技術(shù)的推廣與應(yīng)用將促使相關(guān)產(chǎn)業(yè)迎來進(jìn)一步的飛躍，必將是下一步制造業(yè)關(guān)注的重點與熱點。

參考文獻(xiàn)

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