增減材復合制造技術應用研究

1 增材制造(AM)發(fā)展背景

機械制造業(yè)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略之一，國與國之間的競爭日趨激烈，現(xiàn)階段，機電產品中對零件的輕量化、整體性、高精度、高性能等特性的要求日益迫切，而傳統(tǒng)制造方法受到模具、刀具、夾具、量具、人為引入誤差等缺陷，已無法滿足對零件的要求，而增材制造以復雜零件快速成型、個性化定制、數(shù)字樣機、零件再制造成本低等優(yōu)點，有效彌補了傳統(tǒng)制造方法涉及的缺陷，成為制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展技術。我國在2015年已提出“綠色發(fā)展”理念，增材制造符合其發(fā)展理念。《中國制造2025》描繪了從制造大國到制造強國宏偉藍圖，提出了發(fā)展質量和水平具有跨越意義的當屬增材制造。

2 增材制造概述

2.1 增材制造的原理

增材制造是綜合了計算機圖形處理、材料加工、成型技術，利用數(shù)字化信息及其控制技術，應用軟件與數(shù)控系統(tǒng)經過建模、設計并調整加工方案，將專業(yè)材料(金屬材料、非金屬材料、其他材料)按照激光選區(qū)熔化(SLM)、激光選區(qū)燒結(SLS)、激光近凈成形(LENS)、電子束選區(qū)熔化(EBSM)、電子露絲沉積(EBDM)、光固化成形SLA)、熔融沉積成形(FDM)、三維立體打印(3DP)等的增材制造成型工藝技術，逐層堆積制造出實體物品的制造技術。在涉及機械領域有重要應用，已逐漸在人體骨骼、工藝美學等領域廣泛應用。相對于傳統(tǒng)的機械加工制造工藝，增材制造在復雜度較高零件的構建上有巨大的優(yōu)勢，是一種“自下而上、逐層疊加”的材料加工方法。

2.2 增材制造的命名及工藝類別

自20世紀80年代末增材制造技術逐步發(fā)展，期間由于對其理解和加工應用方式的不同也被稱為“材料累加制造”“快速原型”“分層制造”“實體自出制造”“3D打印技術”等名稱各異的叫法，分別從不同側面表達了該制造技術的特點，其內涵在不斷深化，外延也在不斷擴展。

實驗仿真環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i5-3470 CPU @3.20GHz,內存4.00 GB,操作系統(tǒng) Windows 7 旗艦版,仿真軟件Matlab2014a。

2.3 增材制造的分類

增材制造通常按照材料類別、材料形態(tài)和增材制造時材料的加熱方式等方式分類

，具體分類方式及類別見圖1增材制造材料的分類方式。

Some systematic reviews that compare laparoscopic colectomy (LAC) with open colectomy for elderly had reported benefits in short-term outcome.

3 增減材復合制造加工技術

3.1 增減材復合制造(HASM)研究的意義

以齒輪泵腔體為例，CB型齒輪泵由于泵體與泵蓋是硬性接觸,裝配要求其平直度不超過5μm，若泵體與泵蓋的平直度不好，泵旋轉時會吸入空氣；泵的密封不好，接觸面處會有漏油，也容易使空氣混入。由于泵體結構復雜，用增材制造技術較為方便，其制造過程如圖3增減材復合制造流程所示：

此外,不得不提的是,香港投融資中心由資產運營向資本運營和資產運營相結合,是西王集團轉型發(fā)展的重要組成部分。這種轉型，某種程度上說，與新生代的知識結構、成長經歷、個人喜好高度關聯(lián)。他們不愿再重復父輩的老路，在產業(yè)風口之下，開始新的“玩法”，進入新的市場。

根據(jù)上述增減材復合制造技術的原理，可以看出該技術與快速成型(RP)技術的思路相近，即“分層制造，逐層疊加”， 類似于數(shù)學上的積分過程，其中層切的厚度直接影響增材制造成品的精度，在圓弧面或過度面最為明顯，主要采用減材制造方法消除臺階效應，提高精度，因此在增材制造過程中可采用增大噴頭容量和提高一次加工厚度等低分辨率的增材制造方法來提高加工速度，以此實現(xiàn)快速成型，檢驗產品設計是否合理，功能是否理想，及時修改再設計，極大的提高了新產品的開發(fā)效率，降低了新產品從設計到成品的成本。

增減材復合制造技術是CAD產品圖形設計、建立產品模型、模型分層切片、沉積疊加快速成型等的加工過程，較為先進的增減材復合制造是將增減材的加工階段復合交替進行，以此提高加工效率和精度。該技術是一種先增加(增材)，后去除(減材)材料的過程，以“離散-堆積-控制”的成型原理為基礎，其加工的思路是：把要加工的三維零件看作是相應數(shù)量二維平面輪廓沿某坐標方向上的疊加，因此，依據(jù)計算機生成的產品三維設計模型，按一定的厚度分層切片，切分生成一系列平面幾何信息，即將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉換為一系列的二維或三維輪廓幾何信息，層面幾何信息融合沉積參數(shù)和機加工參數(shù)生成掃描路徑數(shù)控代碼，成型系統(tǒng)按照輪廓軌跡逐層掃描堆積材料和加工控制(對輪廓或表面進行機加工)；最終成型三維實體零件。

4)單一機床代替了復雜的工藝鏈，節(jié)省車間空間的同時更加節(jié)能環(huán)保；

5)能加工增材制造難以成形的內部精細結構和垂懸結構；

動物香薰室:香薰室(50 cm× 50 cm× 40 cm),有蓋,四周板材為不銹鋼鋼板,內部劃分為4個20 cm × 20 cm × 20 cm的隔離室,可同時允許4只動物同時進行實驗,其內正中可置放用于盛放精油的圓形電香薰燈(8 cm × 8 cm × 3 cm),小箱側壁有孔,用于香氣流通,孔徑 4 mm,每個側面圓孔數(shù)為10×10個。

1) 相對增材、減材工藝部件有更高精度、表面質量；

6)總投資較低，混合機床的價格低于整條工藝鏈所需的設備，且增減材工藝在混合機床中共享軟硬件平臺(引導系統(tǒng)，機床結構，數(shù)字控制(CNC)系統(tǒng)，用戶界面)。

PHPAnalysis（PHP 分詞系統(tǒng)）是一種基于字符串的反向匹配分詞方法，采用類似哈希的數(shù)據(jù)結構存儲詞庫。改進后增加了正向、雙向和最短路徑的掃描策略。

3.2 增減材復合制造技術的原理

3)加工過程中工件無需移動，降低了移動帶來的定位誤差和碰撞事故；

2)材料利用率最高可達97%；

4 增減材復合制造技術工藝流程

增材制造技術相對于傳統(tǒng)的數(shù)控加工、壓力加工與鑄造等加工制造，有其獨特的優(yōu)勢，特別在復雜度較高的零件構建上有著巨大的優(yōu)勢，但隨著人們對增材技術的深入認識，增材技術工藝的缺點也逐漸浮現(xiàn)，如航空航天領域的精密部件對尺寸公差的要求十分嚴苛，單純依賴增材制造構建的零件難以滿足其精度要求。此外，大規(guī)模生產情景下增材制造的生產效率低于減材制造。 增材技術利用高能能量源逐點逐層熔化和凝固材料，不可避免地會在相鄰層之間存在臺階效應等負面影響，導致表面質量、尺寸精度較低，因此，增材制造的零件表面精度達不到機加工的水平，如果將增材制造和減材制造的優(yōu)勢結合起來，既能發(fā)揮增材制造材料利用率高，再制造修復效率高，又能提高零件制造的效率，保證加工質量和尺寸精度。增減材混合制造技術有自身優(yōu)勢，如圖2增減材復合制造的特點

。

首先對破損零件進行測繪，制作CAD圖形，利用CAD圖形進行三維建模

，利用數(shù)字樣機技術進行模擬加工和裝配，修正尺寸，進行增材制造，由于增材制造存在層切效應，在泵體圓弧過渡面比較明顯，所以利用減材制造技術進行精加工，另外，泵體和泵蓋的裝配面達不到裝配要求，需進行精加工，裝配表面的精加工一般采用金剛砂研磨的方式進行，以保證平直度良好，避免吸入空氣，防止漏油，達到裝配要求。

5 增減材復合制造(HASM)技術的發(fā)展方向和不足

增減材復合制造技術應用了增材制造技術快速成型的優(yōu)勢，發(fā)揮了減材制造技術高精度加工的特點，即能高效制造出同一基體不同材料或不同材料基體的高精度、高質量復雜形體零部件，提高了制造效率，降低了生產成本，減少了材料浪費，提高了產品競爭力，特別有利于形狀復雜、個性化、小批量、多品種零件的生產，應用價值高，前景廣泛。但該技術研究起步晚，涉及學科多、應用技術廣，只有對相關學科、技術的深入研究，才能更好的發(fā)展增減材復合制造技術，筆者認為，以下四點應該是研究增減材復合制造技術努力的方向：

(1)專用軟件系統(tǒng)的開發(fā)

。現(xiàn)有的多數(shù)增減材復合制造系統(tǒng)軟件是基于快速成型技術軟件和傳統(tǒng)機械制造軟件基礎上的改進和集成，更多的把增減材復合制造理解為簡單的“增材制造”加“減材制造”，未能實現(xiàn)合理的“復合”制造，沒有完全發(fā)揮出復合加工技術的優(yōu)勢。未來軟件的開發(fā)，應充分挖掘增減材復合制造本身的特點，進行系統(tǒng)性融合。

(2)增減材復合加工控制系統(tǒng)有待于優(yōu)化。在零件成形過程中，控制系統(tǒng)需要在沉積(增材)和減材加工功能中反復轉化，相應的加工坐標系同步變化，因此對于刀具和沉積的準確定位和控制尤為重要，實時檢測反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)的引入能有效實現(xiàn)對刀具和沉積的準確定位和控制，從而影響增減材復合制造的精準性

。引入閉環(huán)控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測加工過程中的各種誤差，并實時反饋給控制系統(tǒng)，及時調整優(yōu)化，即能加工出質量更高、缺陷更少的零件。因此，多種測量傳感技術的發(fā)展很有必要。有效使用工業(yè)機器人可以提高工作效率，降低成產成本。

(3)增減材復合制造工藝有待于進一步集成優(yōu)化。

成型零件一般由不同材料制造而成，其特征、性質各異，故沉積工藝、夾具等不同；同一零件不同部位采用不同的材料制造，需要考慮材料的融合性及相關的沉積工藝；不同材料所用增材制造速度、減材加工刀具的路徑、夾具或支撐結構是否相匹配等都是需要考慮的問題。如果能將多種沉積工藝設備集成優(yōu)化，高效協(xié)調運行，即能實現(xiàn)增減材復合加工工序的進一步優(yōu)化，提高效率，保證質量。

③ 配電電纜。光伏發(fā)電面板與控制器、蓄電器之間電纜配置應當直線連接，并且采用XLPE絕緣、PCV屏蔽的銅芯線，電壓損耗要小于1%，需要具備防水、防火能力[6]。

(4)現(xiàn)場加工技術的研發(fā)。飛機、船舶、風電機組等設備大型零部件的現(xiàn)場增材制造及再制造工藝便于實現(xiàn)，但增材后的減材制造難以實現(xiàn)，影響了增減材復合制造技術在大型設備的應用，有針對性的研究能夠拓寬增減材復合制造技術的應用。

6 總結

基于增材制造和減材制造的增減材復合制造技術彌補了增材制造尺寸精度低、表面質量差等缺點，不但具有增材制造的制造復雜零件、快速成型及材料利用率高等優(yōu)點，而且兼顧了減材加工高質量與高精度的優(yōu)點。依靠增材制造實現(xiàn)材料層積成形，利用減材技術提高表面質量、改善應力狀態(tài)，通過兩種技術的結合而制造出所需零件。實現(xiàn)了零件“數(shù)字建模--快速成型--精加工”的加工過程，為制造業(yè)增添了新的血液，把很多不可能變成了可能，符合高效、快速、節(jié)能、環(huán)保，有效的降低了成本，減少了浪費，利用了資源，有效應用了計算機技術和相關精準測量軟件，為制造業(yè)提供了新動能。

[1]李文揚. 增材制造技術與產業(yè)的發(fā)展及前景分析.[J]現(xiàn)代經濟信息 2020(06).

[2]周偉民,夏張文.增材再制造產業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展.自動化儀表,2021.2第42卷第2期.

[3]李永超.增減材復合制造技術的研究現(xiàn)狀與關鍵技術.冶金管理,2021年05期.

[4]朱勝,周超極,周克兵.綠色增材再制造.中國機械工程2018.11第29卷第21期.

[5]高孟秋,趙宇輝,趙吉賓,王志國,何振豐.增減材復合制造技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展.真空，2019年06期.