增減材復合技術的研究

吳曉輝

(華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

當今工業的主要焦點是在最短的時間內推出一種新產品。近年來，增材制造技術為人們所熟悉，并逐漸成為一種新興的制造方式，很多國家都高度重視并積極推廣應用該技術[1]。復合制造是一種大大縮短開發時間的方法，在所有產品的生產過程中都非常重要，用于預測早期設計階段的制造約束、時間和成本，并有助于找到解決方案，以盡量減少或消除其中的一些困難。本文基于既能增材也能減材制造的復合制造工藝的重要概念，開展研究與分析。

1 研究現狀

在過去的30年里，增材制造被認為是第三次工業革命。在教育、醫療、電器、船舶、汽車、通信技術、航空航天和軍工等領域，增材制造技術被越來越多地應用到實際和研發生產中[2]。該技術通過逐層添加材料，可直接從CAD模型中生成實體零件。同時，工業部門在傳統減材制造領域也取得了重大進展。

增材和減材制造都有各自的優勢，但也具有各自的缺點。增材和減材制造的優勢和短板給復合制造工藝帶來了機會。通過增材和減材制造互補、融合形成的增減材復合制造[3]，突破了傳統加工條件對結構設計的限制，大大縮短了研發周期，保證了零件的質量和精度[4]。這是制造業的一次重大飛躍。增材和減材制造優劣勢見表1。

表1 增材和減材制造優劣勢

近年來，增材與減材相結合的制造技術在制造領域得到了廣泛的關注。這種組合不僅利用了獨立技術的優勢，而且還將它們的局限性降到了最低。通過增材制造工藝建立零件的復雜形狀，然后通過數控技術加工實現零件質量，資源消耗和材料浪費以及環境影響可以顯著降低。許多研究已經成功地將增材和減材相結合，用于制造具有良好精度的復雜零件、工具或重要部件的處理和再制造。Osama Abdulhameed等[5]采用選擇性激光熔化技術修復燃氣輪機燃燒器噴嘴，他們的研究也驗證了選擇性激光熔化技術在現有組件上構建新特性的可行性。然而，對于復合制造加工過程的工藝規劃設計的研究還很有限。Mayur Vispute等[6]提出了一種基于復合制造工藝印刷后整理的新方法，采用三軸數控銑床對零件表面加工進行研究，通過實例分析結果表明，加工后的工件表面光潔度顯著提高；Bai Qian等[7]對6511馬氏體不銹鋼的沖壓成形工藝進行了研究，對樣品優化后的表面光潔度更好；為了彌補需要大量的人工干預來進行特征識別和知識解釋，并且派生的工藝計劃的質量很難量化這一不足，Zheng Yufan等[8]提出了一種基于成本驅動的復合制造工藝規劃方法，并且提出了一種自動加減法特征提取方法，并將工藝規劃任務轉化為成本最小化優化問題，以保證高質量的解決方案；Niechen Chen等[9]驗證了復合制造能為零件的及時交付提供一種新的解決方案，最大限度地減少了庫存和材料浪費；Liu Jikai等[10]提出了一種增減法復合制造的拓撲優化方法，并通過設計一些三維結構成功實現了該方法；在復合制造過程中，由于多個過程的相互作用而產生了零件畸變，Jarred C. Heigel等[11]主要研究了在增材制造過程中產生的殘余應力對后續加工過程中零件畸變的影響。

2 復合制造技術的應用

復合制造工藝可以從幾個方面進行分類，最常見的復合制造工藝中的二次加工是機械加工，其主要目標通常是提高表面光潔度和幾何精度[12]。第二類最常見的復合制造工藝屬于熱工藝，包括激光輔助熔化，如激光重熔或侵蝕。這些二次加工利用熱能來改善印刷工藝或修復先前沉積層的材料性能。另一類二次加工包括機械表面處理，如噴丸或滾壓[13]。這些工藝對印刷層進行改造，可以使表面光潔度提高，微觀結構精細化，變形最小化，硬度增加，零件密度提高，有利于減少殘余應力和消除應力。

2.1 機械加工

在復合制造加工中，增材制造與材料去除工藝(銑削或車削)相結合。增材制造提供了接近凈形的零件，而按順序層間隔的加工提供了更好的表面光潔度和更好的幾何精度。第一個復合制造加工工藝是在90年代初期的焊接領域[14]。增材制造工藝與機械加工相結合的技術包括選擇性激光焊接、MIG焊接、激光沉積、激光熔覆、等離子沉積和薄板層壓。對于金屬復合制造來說，主要有3種增材制造工藝類別：定向能量沉積、粉末床融合和薄片層壓。定向能量沉積是復合制造中最常運用的增材制造工藝加工。事實上，大多數商用復合制造機器都使用定向能量沉積技術。粉末或金屬絲形式的材料被熱源熔化并沉積在基板上形成層。這些系統充分利用了高階多軸機床(五軸或七軸銑床)所提供的靈活性，是我國大連生產的五軸機床(見圖1)。這些高階軸系統可以在非平面表面沉積和加工材料，這是定向能量沉積系統被用于修復高價值關鍵部件(如渦輪葉片)的主要原因。替代定向能量沉積的是粉末床融合。在粉末機床融合中，使用激光將粉末層熔化在底板上。與高速噴涂粉末的定向能量沉積不同，粉末床融合系統中的粉末靜止在機床上等待燒結或熔化。在薄片層壓或超聲波焊接的情況下，金屬薄片通過振動剪應力在超聲波頻率下堆疊和粘結在一起。這是一個固態融合過程，通過在表面之間形成強大的冶金結合來實現凝聚。一旦一個或多個層被打印出來，下一步就是對沉積的層進行研磨，以達到精確的尺寸。

圖1 大連三壘SVW80C-3D

2.2 激光輔助

選擇性激光熔化是一種分層增制造工藝，圖2所示為選擇性激光熔化工藝。所有增材制造工藝的基本原理是相同的，盡管它們使用不同類型的材料和結合機制。除了所有增材制造技術共同的優點(幾乎無限的幾何自由度、靈活性、大規模定制等)，選擇性激光熔化的主要好處是它能夠加工各種材料，以幾乎全密度產生的散裝材料性能[15]。選擇性激光熔化遇到的主要問題大多是分層制造固有的，如樓梯效應影響表面粗糙度和零件精度(分辨率)或層殘余應力，由于在很短的時間內完全熔化和凝固的高熱梯度加強。選擇性激光熔化零件的尺寸精度和表面質量低于傳統的數控銑削加工技術，這是一個重要的限制。還有在加工時其他的一些限制，例如氣孔率以及微加工能力等。因此，為了克服這些限制，通過結合選擇性激光熔化和激光重熔或選擇性激光沖蝕的制造，消除了選擇性激光熔化過程的幾個限制。選擇性激光熔化和激光重熔結合提高了選擇性激光熔化零件的外表面質量，同時提高了零件的內密度(每層后重熔)或殼密度(外表面重熔)。選擇性激光熔化和選擇性激光沖蝕的結合也提高了選擇性激光熔化的微加工能力，可以生產出尺寸為50～100 μm范圍內的內外特征。

圖2 選擇性激光熔化工藝

2.3 表面處理

由張海鷗等研發的微鑄鍛銑復合技術是一種典型的金屬復合加工技術[16]。其中的復合沉積微滾壓工藝包含兩個程序：一是焊接沉積程序；二是微軋工藝。微鑄鍛銑加工過程如圖3所示。首先是熔化金屬絲，用電弧焊接金屬珠。從焊槍噴射惰性氣體，在高能電流下產生焊接電弧，保護焊接熔池。焊接電弧將基板和金屬絲熔化，逐層沉積金屬。熔池中熔化的金屬在凝固過程中的能量快速地通過所建部分向下傳導到金屬基體。熔化金屬的微觀結構在這種冷卻條件下形成枝晶或柱狀晶粒。同時，微輥跟隨焊槍移動運動時將800 ℃以上的焊珠逐層擠壓，產生塑性變形。枝晶顆粒被分解成碎片。塑性變形和焊接能量將促進微珠組織的再結晶，獲得細晶粒，減少殘余應力。可以看出，傳統的加工工藝與微鑄鍛銑加工技術有著截然不同的效果。傳統加工工藝流程長，工序繁瑣，需多臺大中型機械設備，且成本高昂，空氣污染物排放量較大；而微鑄鍛銑加工工藝流程短，僅需單一套機械設備，縮短了生產周期，效率高，原物料耗費低，能量消耗小，穩定性高，成形品質好[17]。顯然，微鑄鍛銑加工技術的優勢遠遠超過了傳統鍛件的加工技術。

圖3 微鑄鍛銑加工過程

3 結語

復合制造是增材制造研究和開發的一個新興領域，學術界和工業界越來越需要更好地理解和探索復合制造所帶來的好處。本次研究通過復合制造工藝分類，從機械加工、激光輔助和表面處理等三個方面的應用了解了復合制造工藝帶來的好處。復合制造工藝由于其高精度和高質量的表面、生產力和自動化，可被廣泛用于加工先進材料和制造各種機器及工具零件、電子設備和微型機器零件。復合制造工藝的電氣、化學和機械特性的復雜相互作用仍未被完全理解，其潛在的制造能力也未被完全認識。在復合制造加工過程中，不同形式的能量在同一沖擊區同時被使用，這使得這些過程更加復雜。這些過程中涉及的機制需要進行深入的研究，以充分了解這些過程。

復合制造工藝正在不斷發展，從基礎開發到工業實施，最后到其技術成熟的水平，迫切需要進一步發展，以滿足工業界生產由先進材料制成的高度復雜的產品特征的要求；另一方面，以更高的生產力、成本效益和能源效率的方式制造零件。在不久的將來，復合制造工藝有望進一步提高制造能力，以實現更廣泛的應用。