增減材混合制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展＊

孫海江 邢 飛 卞宏友 鎖紅波 董 呈 苗立國

（①沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；②南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

目前，增材制造（additive manufacturing, AM）工藝是制造高質(zhì)高精度復(fù)雜金屬零構(gòu)件的最可靠技術(shù)之一[1]。與傳統(tǒng)加工相比，AM在制造產(chǎn)品中遵循相反的方向成形原理，它通過“自下而上”一層一層的材料融合和粘合，消除傳統(tǒng)工藝在生產(chǎn)復(fù)雜零構(gòu)件方面的局限性[2-3]。此外，該技術(shù)涵蓋傳熱學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)和流體力學(xué)等諸多學(xué)科，它們之間又相互影響，十分復(fù)雜，不可避免地會出現(xiàn)臺階效應(yīng)、尺寸精度和表面粗糙差等負(fù)面影響；而如醫(yī)療領(lǐng)域的精密部件要求十分苛刻，單靠增材制造的零件難以滿足其精度要求。有的學(xué)者提出了增減材混合制造 (additive and subtractive hybrid manufacturing, ASHM)技術(shù)[4-6]，該技術(shù)是將兩種工藝通過三軸或多軸機器相集成的方式。如圖1所示，結(jié)合了增材與減材兩種工藝的優(yōu)點，能更好地詮釋“設(shè)計即所得”的概念，而打印方向、溫度梯度、材料特性、刀具加工時機、噴嘴直徑、掃描速度和激光功率等都是零件最終性能要考慮的影響因素。目前發(fā)達(dá)國家紛紛也將增材制造、增減材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的發(fā)展方向，從而滿足航空、航天、武器裝備等高精尖領(lǐng)域日益增長的性能要求。學(xué)者紛紛開展了相關(guān)性的研究，包括增減材設(shè)備的研發(fā)、路徑規(guī)劃過程仿真及動態(tài)過程智能閉環(huán)控制等。本文主要從國內(nèi)外增減材設(shè)備研究現(xiàn)狀和激光、電弧兩種能量源在金屬增減材制造技術(shù)相關(guān)研究，并對未來發(fā)展趨勢進行討論。

1 增減材制造技術(shù)概述

增減材復(fù)合制造技術(shù)是一種將產(chǎn)品設(shè)計、軟件控制、增材制造與減材制造相結(jié)合的新型技術(shù)。借助計算機生成CAD模型，并將其按一定的厚度分層，從而將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為系列的二維或三維輪廓幾何信息，由層面幾何信息和沉積參數(shù)、機加工參數(shù)生成3D打印路徑數(shù)控代碼，最終成形三維實體零件；然后對成形的三維實體零件進行測量與特征提取，并與CAD模型進行對照，尋找到誤差區(qū)域后，基于減材制造，對零件進行進一步加工修正，直至滿足具有高質(zhì)量以及內(nèi)部復(fù)雜精密的成型。

早在20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者對形狀沉積制造方法(SDM)進行了深入研究，為了減少材料在電弧熔材后氧化層對組織的影響，對表面進行光整加工[7]。Chang Y C等[8]首先提出增減材制造這一概念，該方法將選擇性激光熔化與精密銑削相結(jié)合，以提高零件的表面光潔度以及幾何尺寸精度。

ASHM過程如圖2所示，將數(shù)字CAD模型分成薄片，再通過選擇性激光熔化方法逐層構(gòu)建這些薄片，首先將基材進行裝夾，當(dāng)激光束掃過粉末床的表面并使粉末熔化時，一層燒結(jié)后，平臺降低一層，并在燒結(jié)層的頂部接收新的粉末層，反復(fù)循環(huán)，然后通過銑削進行“消除”殘渣，最終可以加工復(fù)雜異形零件。

圖2 形狀沉積制造方法[8]

2 國內(nèi)外增減材混合設(shè)備現(xiàn)狀

因增材成形制造過程中有靈動性較強，受到的工藝約束較少等優(yōu)勢，多數(shù)商家將增材機構(gòu)設(shè)備有機整合到多軸數(shù)控機床作為新的發(fā)展方向。國外學(xué)者對混合設(shè)備進行了相關(guān)性研究，避免干涉的情況下，通過將激光加工頭整合在數(shù)控機床的方式，Himmer T等人[9]開發(fā)一臺集成激光熔覆和銑削的增減材混合設(shè)備，將熔覆裝置安裝在數(shù)控機床的主軸旁，完成復(fù)雜形狀的制造。Ren L[10-11]使用激光涂層和減材制造來修復(fù)航空航天和的精密零件，首先對受損零件進行三維掃描確定路徑，再對需修復(fù)部分進行材料“沉積-去除-拋光”等步驟，驗證了復(fù)合工藝在航天修復(fù)領(lǐng)域的可行性。Sitthi-Amorn P等[12]將一個集成了電弧和激光能量源的機械臂連接到一臺五軸數(shù)控機床上，對零件的幾何形狀進行逆向工程。Ye L P等[13]開發(fā)了一種脈沖激光送絲沉積和銑削機床，用于增材和減材的聯(lián)合加工，并分析了脈沖激光參數(shù)對工件結(jié)構(gòu)和性能的影響。

國內(nèi)學(xué)者也展開了相關(guān)的研究，劉肖肖等人[14]研制了一臺熔融增材制造與銑削減材復(fù)合加工中心，龍門結(jié)構(gòu)尺寸為 700 mm×640 mm×780 mm。并進行了增減材相關(guān)試驗，驗證了所研發(fā)設(shè)備的性能以及PEEK材料在醫(yī)療領(lǐng)域的巨大潛力。郭觀林[15]設(shè)計了五軸床，并對機床進行靜、動態(tài)分析，得出機床的復(fù)合制造機的整機固有頻率和振型，并提出采用坐標(biāo)十字對點耦合方法解決復(fù)合制造的工位轉(zhuǎn)換問題。孔劉偉等人[16]開發(fā)了“雙轉(zhuǎn)臺”式五軸結(jié)構(gòu)聯(lián)動增減材混合加工中心，分析提出了機床整體的聯(lián)動控制方法，進行了相關(guān)試驗，初步得到了符合預(yù)期的加工效果。孫傳圣[17]通過商業(yè)化軟件自主開發(fā)了增減材混合(ASHM)裝備，主要結(jié)構(gòu)包括工業(yè)機器人、增材模塊、CNC模塊和送料機構(gòu)和輔助系統(tǒng)組成；研究了激光光斑大小和能量密度對拉伸強度以及能量密度對成形層的精度和表面質(zhì)量的影響。

如表1所示，列出了國內(nèi)外現(xiàn)有的增減式混合設(shè)備及其主要特點，可以看出國內(nèi)外在硬件設(shè)備方面均有許多研究成果，其中多數(shù)機構(gòu)作為平臺轉(zhuǎn)型成為制造商的一種新型機床。 可以作為平臺的改型或制造商的新機床。相比于國外，國內(nèi)研究進展起步較晚，目前國內(nèi)的改造設(shè)備主要以滿足實驗為主，投入商業(yè)的混合設(shè)備相對較少；主要是過程中存在一些難以解決的問題，如：切削液在激光增材過程中難以使用，帶熱銑削的零件內(nèi)部性能受到一定的影響等等。

表1 國內(nèi)外增減材制造設(shè)備

3 增減材混合制造工藝研究

由于不同材料沉積方式在增材制造中有不同的適用范圍。本文將按照各種工藝需求，逐類闡述以粉末、絲材以及其他金屬條件下國內(nèi)外增減材混合制造工藝相關(guān)進展情況。

3.1 基于激光送粉的近凈成型增減材混合制造

增材制造需解決的問題往往首先是有效控制表面精度問題，國外學(xué)者對成形零件后處理粗糙度進行相關(guān)的研究，Lukas L?ber[18]通過加工后處理零件，結(jié)果大幅度的降低了零件的表面粗糙度，獲得良好的表面形貌。Beauchamp A T等人[19]使用形狀自適應(yīng)磨削來精加工零件，在此過程中，通過使用3種不同的金剛石磨粒進行加工，獲得了約10 nm的表面粗糙度 (Ra)；Jeng J Y[20]研究使用 SLC 和銑削混合工藝進行模具改造和修復(fù)的可行性。Xie Y等[21]研究了激光能量沉積和機械加工的工藝組合，以分析參數(shù)并檢查其對不銹鋼的影響，從而生產(chǎn)復(fù)雜的航空軸承支架，并應(yīng)用Abaqus中的數(shù)學(xué)模擬來檢驗工藝參數(shù)的最佳范圍。

章媛潔等人[22]研究了致密度、銑削深度對3D打印成形件的表面粗糙度和殘余應(yīng)力的影響，該實驗改善了銑削后成形件的致密度。張軍濤等[23]通過研究激光沉積成形的激光功率、掃描路徑及搭接率等工藝參數(shù)對沉積層截面尺寸與表面粗糙度的影響，并對不銹鋼輪胎模具進行建模圖3a，粗糙度滿足設(shè)計要求圖3b。

圖3 增減材復(fù)合制造316L不銹鋼輪胎模具零件[23]

在保證成形精度的基礎(chǔ)上，郭鵬[24]研究了激光增材制造316L不銹鋼的力學(xué)性能和銑削性能，通過實驗確定了增減材混合制造的最佳工藝參數(shù)，并分析了金屬激光增材制造和鍛造的性能差異，研究了金屬激光增材制造過程中的工件溫度場。結(jié)果表明：溫度場的冷卻速率與激光功率和工件初始溫度成反比。Yang Y Y[25]對增減材復(fù)合制造316L銹鋼薄壁圓環(huán)表面殘余應(yīng)力的分布進行了試驗（如圖4），實驗結(jié)果得知：在工藝參數(shù)允許范圍內(nèi)，送粉速率對熔覆層的殘余應(yīng)力影響呈正相關(guān)。侯科羽[26]探究了工藝參數(shù)對單道多層316L/GH4169功能梯度增減材混合成型薄壁零件及塊體的機械性能等參數(shù)的影響，最終獲得成型質(zhì)量良好，頂部硬度良好的增減材混合制造功能梯度扭轉(zhuǎn)件。

6) 外輸結(jié)束。當(dāng)外輸油量達(dá)到既定值時，外輸結(jié)束，關(guān)閉外輸泵，常規(guī)油船將之前接收的水通過CTV打回到FPSO以沖洗油管，增壓泵旁通閥打開，外泄閥關(guān)閉，CTV軟管與常規(guī)油船斷開，并將油管中殘余的水排至CTV的污液艙，由拖船協(xié)助軟管回收到CTV的卷筒上。常規(guī)油船系泊解脫，CTV回收系泊纜索，斷開側(cè)裝載接頭，由拖船協(xié)助軟管回收到FPSO的軟管收放滾筒上。

圖4 ASHM 工藝的實驗系統(tǒng)照片

國內(nèi)學(xué)者針對復(fù)合制造過程采用仿真結(jié)合實驗進行相關(guān)研究，黃鑫[27]采用增材制造有限元仿真，實現(xiàn)增減工藝交替過程的基礎(chǔ)研究，并對鈦合金進行增材和減材工藝基礎(chǔ)試驗。李帥[28]針對鈦合金的增減材混合制造展開了研究，研究了增材殘余溫度場對減材加工的影響，通過構(gòu)建端部鈦合金銑削模型，進行實驗與模型校核，為增材件的銑削過程檢測提供了有效的試驗研究基礎(chǔ)。

3.2 基于選擇性激光燒結(jié)的增減材混合制造

利用選區(qū)激光熔化技術(shù)在金屬制造上，支撐件對精細(xì)結(jié)構(gòu)是值得突破的難點，由于精細(xì)外部結(jié)構(gòu)強度弱，無法承受粉末的持續(xù)沖壓，傳統(tǒng)的減材也很難處理這種特征。唐成銘[29]構(gòu)建了一種基于激光選區(qū)熔化和高速銑削技術(shù)的增減材混合制造系統(tǒng)，根據(jù)增減材交替工藝排布方法后，刮刀的磨損量比單純的SLM加工方法降低了約35%，有效減輕零件表面對鋪粉刮刀的磨損，從而有利于增材加工工藝的進行，最后通過曲面零件驗證了增減材混合加工工藝的可行性。

Spierings A B等人[30]通過測試兩種不銹鋼的動態(tài)性能，使用CNC車削來精加工AISI316和15-5HP鋼制造的零件，零件表面粗糙度為0.4 μm，研究結(jié)果表面SLM制造的不銹鋼表現(xiàn)出與傳統(tǒng)加工材料相當(dāng)?shù)睦旌推谛阅堋ｊ愱豙31]以通過研究增減材制造過程中不同激光功率，掃描速度對表面質(zhì)量與材料利用率的影響，對激光選區(qū)熔融增材制造沉積層的銑削過程進行過程仿真，發(fā)現(xiàn)切削速度、每齒進給量、刀具切入角和銑削厚度粗糙度的影響較為顯著。杜琛[32]針對粉體材料，開發(fā)了激光選區(qū)沉積技術(shù)與減材技術(shù)的增減材復(fù)合制造加工中心，研究有效地平衡了增材成形效率和表面粗糙度的不匹配關(guān)系，為激光選擇性熔化技術(shù)的使用提供了廣泛的可能性。

陳峰等[33]以從316L不銹鋼粉末出發(fā)，通過增減交換的加工方式對其表面粗糙度、力學(xué)性能和硬度進行試驗。如圖5所示，結(jié)果實驗表明：試樣的表面粗糙度與銑削速度成反比，與每齒進給量成反比。由此表明，在工藝允許范圍下，該制造技術(shù)可以制造出具有較鍛件更好的表面質(zhì)量和力學(xué)性能的零件。Heigel J C[34]研究了在混合增減材制造過程中遇到的多個過程的相互作用引起的零件變形，考慮中子衍射測量的選用與圓柱體中的殘余應(yīng)力相對關(guān)系，分析實驗數(shù)據(jù)得出圓柱體亞穩(wěn)態(tài)奧氏體的相變規(guī)律，可能是影響應(yīng)力平衡的決定性因素。

圖5 不同成形方法制備的 316L 不銹鋼試樣拉伸性能對比 [33]

3.3 基于電弧熔絲增減材（HWAAMS)混合制造

復(fù)合線材電弧增減制造是兩種工藝交替使用，是實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)近凈成形的有效方法，如圖6所示。與激光和電子束熔化相比，低成本、效率高和成形尺寸大是電弧送絲工藝的主要優(yōu)勢。

圖6 線材電弧增減材復(fù)合工藝圖[35]

在大型尺寸金屬成型件制造方面，采用電弧增材制造環(huán)間殼段，由于環(huán)頂蓋尺寸的原因，殼臂和加強筋的二次加工很困難，制造成本也很高。Zhang S[35]通過線材電弧增減材制造技術(shù)，首先通過WAAM創(chuàng)建一個層（圖7a），然后將上表面銑削0.8 mm（圖7b），重復(fù)這兩個步驟后，重復(fù)這兩個步驟10層后，加工周期反復(fù)進行，直到零件完成（圖7c），沉積的外殼和加強金的表面被銑削以滿足設(shè)計要求（圖7d）。

圖7 電弧熔絲增減材混合制造零件圖[35]

圖8 WAAM制造的Al5Si橫截面試樣的OM圖像[38]

圖9 HWAAMS 制造的 Al5Si橫截面樣本的 OM 圖像 (t = 0.8 mm)[38]

4 增減材混合制造軟件實時檢測

增減材復(fù)合技術(shù)雖然能消除零件因臺階效應(yīng)引起的表面粗糙度差、尺寸精度低等“外部問題”，但零件會受溫度梯度和冷凝速率的影響，結(jié)果導(dǎo)致零件的底部、中部和頂部的微觀組織也是不同的，從而會導(dǎo)致零件性能和質(zhì)量下降，一旦在加工完成后檢測到缺陷，則整個零件性能不佳甚至報廢。

為了解決增材零件中的“內(nèi)部缺陷”，國內(nèi)外學(xué)者對此展開了相關(guān)研究，Mahmoudi M等[39]提出一種激光粉末床熔融金屬過程中的分層異常檢測方法，使用高速熱成像來捕獲熔池溫度，通過溫度與其最佳值的偏差作為來控制質(zhì)量方法的手段。Vandone A 等[40]研究了過程中熔池的動態(tài)形狀，使用雙波長成像高溫計系統(tǒng)記錄熔池和周邊地區(qū)的形狀區(qū)域，并對圖像加工實時檢測分析并將其反饋給計算機系統(tǒng)，找到適用不同濾波器與不同激光功率關(guān)系。Kwon O[41]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探究了熔池圖像相對于激光功率的分類模型，當(dāng)熔池圖像邊緣模糊時，

所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會對熔池圖像進行量化，從而推斷引起微觀結(jié)構(gòu)變化的位置或無損分離有缺陷的產(chǎn)品，證明了該技術(shù)能夠檢測到每層沉積材料中形成的近表面和典型微缺陷。但上述方法并不適用增減材混合過程中，因增減材過程中工序復(fù)雜，工況多變。

國外學(xué)者對AHSM的實時檢測從渦流檢測入手，Du W[42]將EC（渦流）檢測器集成到增減材混合制造過程中，如圖10所示，對零件的亞表面缺陷進行了可行性測試，對渦流檢測與X射線計算機斷層掃描結(jié)果進行了比較，通過實驗和模擬，證明EC檢測整合到增減材復(fù)合制造中，可以產(chǎn)出質(zhì)量更好、性能更好的零件。

圖10 增減材混合制造紅外檢測圖[42]

王龍群[43]首先把在線測試技術(shù)引進了增減材混合生產(chǎn)的過程中，如圖11所示，根據(jù)增減材混合生產(chǎn)對內(nèi)部缺陷的測試需求，通過構(gòu)建內(nèi)部缺陷渦流測試模式,求解了不同檢測參數(shù)條件下不同特征的缺陷所產(chǎn)生的線圈電抗增量，結(jié)合有限元仿真，得到了內(nèi)部缺陷渦流檢測的一般規(guī)律；實驗結(jié)果表明：其信號間的差異隨深度的增加而減小。Tamellini L[44]針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)件內(nèi)腔制造性突出問題，提出一種基于參數(shù)形狀優(yōu)化的數(shù)值方法，通過交替不同的模式，用稀疏網(wǎng)格替代目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)，減輕了計算量，結(jié)果表明了方法的有效性。Liu W針對[45]增材制造和減材制造的多重交替特性，提出了一種基于過程特征的增減材組合能耗模型，如圖12所示，在保證良好成形質(zhì)量的前提下，提高掃描速度和加工速率，可以有效降低ASHM的總能消耗。

圖11 ASHM 過程檢測示意圖[43]

圖12 以增減材混合工藝制造簡化軸承座為例

5 增減材混合制造關(guān)鍵技術(shù)難點

增減材混合制造技術(shù)可以解決增材過程中部分異形件難以成形的問題，相比于減材制造有效地控制零件所帶來的殘余應(yīng)力和變形控制；在航天航空、醫(yī)療和模具等高端制造領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景，但目前仍存在著諸多問題尚未解決。有關(guān)增減材混合制造待解決的關(guān)鍵技術(shù)難點如下：

（1）混合裝備的研制設(shè)備

若將二者工藝整合在一個加工機床里面，不僅要考慮制造可行性、零件支撐問題和材料利用率等問題，還要考慮本身機床靈活性和各個部件的小型化、成形過程中部件的均衡化；為解決打印質(zhì)量與成形效率的矛盾，考慮涉及眾多的誤差因素，包括反方向定位誤差、工作平面誤差、各軸間的相對誤差以及聯(lián)動插補運動的誤差。盡管ASHM方面帶來了很多優(yōu)勢，但這種技術(shù)仍然存在局限性。例如，與細(xì)小粉末材料接觸的切削液可能是爆炸性的；在高速切削過程中，由于切削液與粉末材料的混合，加熱的影響可能會導(dǎo)致切削條件的改變，影響加工參數(shù)。干銑削和帶熱銑削對增材工件的影響也有待研究。

（2）在線檢測系統(tǒng)的研制

為精確掌控復(fù)合工藝中零部件的成形精度和溫度梯度所帶來的性能的改變，需對熔池與沉積層的材料成份和形貌系數(shù)進行實時監(jiān)測，保證各個特征的輪廓連續(xù)性，還要考慮到加工過程中基材的溫度梯度，以確定減材工作最佳時機和銑削厚度的掌握；當(dāng)打印零部件過程中出現(xiàn)膨脹收縮時，傳感器會將信息反饋給計算機系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)可實時調(diào)節(jié)輸出功率、送粉速率、搭接率、銑削深度、銑削速度和進給量等參數(shù)，進行實時動態(tài)補償與修正調(diào)整，確保加工過程零件的連續(xù)性和完整性，整個過程是由軟件智能控制的。

針對具有內(nèi)孔內(nèi)腔、內(nèi)流道等復(fù)雜零部件，鑒于層面間錯綜復(fù)雜的位置關(guān)系，運動軌跡存在干涉/碰撞的問題，操作人員往往需要不斷去積累經(jīng)驗，來平衡效率與表面質(zhì)量之間的關(guān)系，因此需開發(fā)更智能的特征分層軟件和工序相關(guān)軟件；同時，支撐結(jié)構(gòu)也結(jié)合需要多因素綜合性考慮，包括支撐結(jié)構(gòu)的垂直角是否能與混合工序相匹配、設(shè)備本身剛度對零部件的影響？打印結(jié)構(gòu)的強度如何、噴嘴的運動軌跡多少合適、減材加工的實時溫度檢測、如何規(guī)劃下一步刀具路徑、機器手臂的延展性如何。針對復(fù)雜零構(gòu)件的典型特征結(jié)構(gòu)，軟件會規(guī)劃出最合理的成形路徑，因此，國產(chǎn)增減材混合加工軟件的開發(fā)十分有必要。

金屬增減材混合制造是在原有的增材制造、工件冷卻后，進行減材的基礎(chǔ)上提出的一種高效、柔性、低成本和高精度等新型綠色制造技術(shù)，相信隨著以上技術(shù)難點被攻破，對國家重大戰(zhàn)略需求的航天航空、能源、衛(wèi)星、智能制造等高端領(lǐng)域的制造具有巨大的潛力。